【摘要】：平鋪在海床上的海底管線由于海底地形凹凸不平、海床沖刷等因素容易出現(xiàn)懸跨段,懸跨段往往在海流、波浪等海洋環(huán)境載荷的作用下容易發(fā)生渦激振動(dòng),引起管線的疲勞破壞。本文通過物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對海底管線懸跨段渦激振動(dòng)問題進(jìn)行深入研究,詣在加深對渦激振動(dòng)機(jī)理的理解,預(yù)報(bào)管跨在復(fù)雜海洋環(huán)境條件下的動(dòng)力響應(yīng),為海底管線的失穩(wěn)、強(qiáng)度破壞、疲勞損傷安全評估提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。 在波流水槽內(nèi)開展了固定海床上海底管跨渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的目的在于考察海床近壁對渦激振動(dòng)的影響、渦激共振由一階共振向二階共振過渡的模態(tài)過渡以及過渡范圍內(nèi)管線的振動(dòng)特征。實(shí)驗(yàn)制作了兩個(gè)模型,模型具有不同的質(zhì)量比(單位長度管線質(zhì)量與其排開流體質(zhì)量之比),分別為2.62和4.30,模型均設(shè)計(jì)成受抗彎剛度支配的柔性梁模型。模型兩端采用萬向節(jié)模擬簡支邊界,由于重力等靜載荷的影響模型跨中在水下分別存在約14mm和50mm的初始下垂。考慮到跨中初始下垂的限制,實(shí)驗(yàn)時(shí)質(zhì)量比為2.62的模型端部間隙比選為2.0、4.0、6.0和8.0,質(zhì)量比為4.30的模型端部間隙比選為4.0、6.0和8.0�；谝浑A自振頻率的約化速度在0～16.7范圍內(nèi)變化。采用光纖光柵應(yīng)變傳感器測量模型的動(dòng)力響應(yīng),利用模態(tài)分析方法對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到模型的振動(dòng)位移響應(yīng),進(jìn)而分析得到振動(dòng)頻率、響應(yīng)幅值、模態(tài)特征等數(shù)據(jù)。對海床間隙對渦激振動(dòng)的影響、順向和橫向兩個(gè)方向振動(dòng)的耦合等進(jìn)行了探討。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著間隙比的減小,主模態(tài)的轉(zhuǎn)移發(fā)生在較大的約化速度下,當(dāng)主模態(tài)從一階模態(tài)轉(zhuǎn)移到二階模態(tài)時(shí),響應(yīng)頻率出現(xiàn)了大幅度的增加；對于e/D2.0,管線橫截面運(yùn)動(dòng)曲線表現(xiàn)為常見的8字形,但是對于e/D=2.0,管線橫截面做淚滴形軌跡運(yùn)動(dòng)。重點(diǎn)分析了隨著流速的增加渦激振動(dòng)由一階模態(tài)共振向二階模態(tài)共振的過渡,揭示出各海床間隙比條件下渦激振動(dòng)由一階模態(tài)向二階模態(tài)的過渡特征。 針對管跨兩端管土作用復(fù)雜邊界對渦激振動(dòng)的影響在波流水槽內(nèi)開展了第二組渦激振動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)。模型采用第一組實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量比為4.30的模型,模型兩端平放在土壤上,中部具有2.138m的懸空長度,模型端部間隙比為6.0。針對沙土和粘土兩種不同特性的海床土壤進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)首先在空氣中和靜水中分別針對不同土壤進(jìn)行自由衰減試驗(yàn),測量模型的自振頻率,之后在水流作用下進(jìn)行渦激振動(dòng)測試。水流流速在0-0.6m/s的范圍內(nèi)變化。實(shí)驗(yàn)對橫向振動(dòng)頻率和應(yīng)變時(shí)程進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,模型的自振頻率具有模糊特性,但是水流作用下模型的振動(dòng)頻率是確定的,并且隨著流速的增加而線性增加；土壤支撐的引入沒有改變渦激振動(dòng)的簡諧特性。 針對海底管跨渦激振動(dòng)問題編制了有限元分析程序,程序采用柔性梁模擬管跨結(jié)構(gòu),水動(dòng)力系數(shù)由VIVANA模型得到,模型控制方程采用Newton-Raphson迭代算法求解。采用Larsen et al. (2002,2004)給出的兩組不同的用于確定升力曲線的參數(shù)曲線進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與前人及本文模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,Curve1 (Larsen et al.2002)參數(shù)曲線較Curve2 (Larsen et al.2004)參數(shù)曲線更適合于海底管跨的渦激振動(dòng)分析；本文的渦激振動(dòng)數(shù)值模型能夠較好地計(jì)算無海床間隙影響時(shí)海底管跨一階共振區(qū)內(nèi)的渦激振動(dòng)響應(yīng),以及較好地識別出主模態(tài)轉(zhuǎn)移。 最后,為了考察海床近壁對水動(dòng)力系數(shù)的影響及預(yù)報(bào)近壁影響下管跨的渦激振動(dòng)響應(yīng),利用簡單支撐柔性梁實(shí)驗(yàn)獲取的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元反力分析,求解作用在柔性梁上的渦激振動(dòng)載荷,計(jì)算相關(guān)的水動(dòng)力系數(shù)。利用反力計(jì)算得到的水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：P756.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 申仲翰 ,劉玉標(biāo) ,李青平 ,黃清華 ,祝發(fā)榮;Experiments on Interaction Between Current-Induced Vibration and Scour of Submarine Pipelines on Sandy Bottom[J];China Ocean Engineering;2000年04期

2 傅強(qiáng),郭海燕,楊新華;Analysis of Dynamic Characteristics of Submarine Free Spanning Pipelines by Complex Damping Method[J];China Ocean Engineering;2004年03期

3 錢孟祥,王志國,韓清國,張克明;埕島油田海底管線拖管技術(shù)[J];海岸工程;2000年02期

4 周延?xùn)|,劉日柱;我國海底管道的發(fā)展?fàn)顩r與前景[J];中國海上油氣.工程;1998年04期

5 葛斐;龍旭;王雷;洪友士;;大長細(xì)比圓柱體順流向與橫向耦合渦激振動(dòng)的研究[J];中國科學(xué)(G輯:物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué));2009年05期

6 Juan J.Horrillo;;Calculation of Maximum Allowable Free Span Length and Safety Assessment of the DF1-1 Submarine Pipeline[J];Journal of Ocean University of China;2010年01期

7 呂明春;;勝利埕島油田海底管線防懸空技術(shù)探討與應(yīng)用[J];安全、健康和環(huán)境;2008年03期

8 羅延生,余建星,方華燦;確定海底管線管跨段模糊固有頻率的方法[J];天津大學(xué)學(xué)報(bào);2001年06期

9 李寧;我國海洋石油油氣儲(chǔ)運(yùn)回顧與展望[J];油氣儲(chǔ)運(yùn);2003年09期

10 沙勇;王永學(xué);王國玉;李廣偉;;沖蝕地形上懸跨海底管線渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào);2009年02期

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2 任亮;光纖光柵傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2008年

3 黃智勇;柔性立管渦激振動(dòng)時(shí)域響應(yīng)分析[D];上海交通大學(xué);2008年

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本文編號：2679837