發(fā)布時(shí)間：2020-05-26 13:26

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,社會(huì)的進(jìn)步,世界各國(guó)對(duì)石油、天然氣等資源的需求越來(lái)越大。于此同時(shí),陸上石油產(chǎn)量進(jìn)入低速、平穩(wěn)、緩慢增長(zhǎng)期,因此加強(qiáng)海洋尤其是深海油氣資源開(kāi)發(fā)已成為各國(guó)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此,海洋采油平臺(tái)及裝備從淺水向深水發(fā)展是必然趨勢(shì)。立管作為鉆井、輸液、勘探的必需設(shè)備,在服役過(guò)程中,不僅時(shí)刻受到周圍風(fēng)、流、浪的環(huán)境載荷,立管內(nèi)部還會(huì)受到其內(nèi)部流過(guò)高溫高壓石油或天然氣的作用力。這些載荷長(zhǎng)期性、周期性的作用以及它們之間的存在的耦合效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致立管發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng),將極大的降低結(jié)果的疲勞壽命,減短結(jié)構(gòu)的服役時(shí)間,甚至可能會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅度振動(dòng),直接發(fā)生強(qiáng)度失效。所以對(duì)立管動(dòng)力特性的研究具有重要的工程與理論意義。立管的渦激振動(dòng)一直以來(lái)都是立管結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞失效重要因素,也是海洋工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期面臨的難點(diǎn)問(wèn)題。本文以Spar平臺(tái)頂張力立管為研究對(duì)象,基于尾流振子模型,研究了立管耦合系統(tǒng)的多穩(wěn)態(tài)行為,并考慮了隨機(jī)因素對(duì)系統(tǒng)的影響,主要包括以下內(nèi)容:(1)為研究深海立管的渦激振動(dòng)現(xiàn)象,在其流固耦合非線性動(dòng)力學(xué)模型中考慮了流體阻尼的平方非線性特性以及結(jié)構(gòu)慣性耦合。基于一階Galerkin模態(tài)離散方程,通過(guò)特征值計(jì)算分析了流速對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,通過(guò)Poincaré映射分岔方法分析了流速對(duì)響應(yīng)非線性特征(頻率、幅值)的影響。結(jié)果表明:渦激振動(dòng)鎖頻區(qū)范圍,可用無(wú)阻尼情況下的耦合顫振區(qū)來(lái)估計(jì);鎖頻區(qū)左右兩側(cè)均存在雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象,左側(cè)為概周期運(yùn)動(dòng)與鎖頻運(yùn)動(dòng)共存,右側(cè)為鎖頻運(yùn)動(dòng)與小幅周期運(yùn)動(dòng)共存。小流速下,響應(yīng)中同時(shí)存在結(jié)構(gòu)模態(tài)和渦激模態(tài),鎖頻時(shí)響應(yīng)表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)模態(tài),而大流速時(shí)響應(yīng)只含有渦激模態(tài)。(2)隨著立管長(zhǎng)度的增加,參與渦激振動(dòng)的立管模態(tài)階數(shù)會(huì)增加,從而導(dǎo)致高階渦激共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。了解和認(rèn)識(shí)其機(jī)理,對(duì)于立管的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行有重要的參考價(jià)值。本文采用包含尾流振子的立管流固耦合彎曲振動(dòng)模型,根據(jù)所考慮最高流速下立管振動(dòng)幅值包絡(luò)收斂性結(jié)果,確定包含直到7階模態(tài)的Galerkin離散系統(tǒng)為仿真計(jì)算模型。以1000米工程管道為例,利用Poincare映射分岔的方法計(jì)算得到響應(yīng)幅值隨流速的變化圖,從時(shí)間歷程、相圖、頻率圖分析了典型行為的非線性特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn),由于非線性因素的影響,渦激共振響應(yīng)的頻率與系統(tǒng)線性固有頻率有明顯的差別。除一階渦激共振區(qū)外,還存在二階、三階渦激共振區(qū)。一階、二階、三階共振區(qū)間存在重疊部分,形成雙穩(wěn)態(tài)區(qū)。雙穩(wěn)態(tài)區(qū)立管振動(dòng)幅值差別較大,工程應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注周圍環(huán)境中突發(fā)性干擾、持續(xù)性隨機(jī)干擾引起的突發(fā)性大幅振動(dòng),防止災(zāi)難事故的發(fā)生。(3)在海洋工程中,隨機(jī)激勵(lì)是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和誘發(fā)疲勞破壞的重要因素,本文初步分析了隨機(jī)因素對(duì)立管振動(dòng)行為的影響,通過(guò)確定性系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)分岔圖,根據(jù)其響應(yīng)的特點(diǎn),將流速范圍劃分為6個(gè)不同的區(qū)域,并分析了各個(gè)區(qū)域內(nèi)噪聲強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:隨機(jī)激勵(lì)對(duì)確定性系統(tǒng)中雙穩(wěn)態(tài)區(qū)及雙穩(wěn)態(tài)區(qū)附近流速范圍內(nèi)立管響應(yīng)影響較大。
【圖文】：

圖 1-1 海洋采油平臺(tái)從淺水向深水發(fā)展變化的過(guò)程Figure 1-1 The development of platform from shallow water to deep water近些年來(lái)，深海立管作為深海開(kāi)發(fā)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是海洋開(kāi)薄弱構(gòu)件之一，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者對(duì)立管進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究

(a) 試驗(yàn)裝置示意圖 (b) 不同截面形狀的實(shí)驗(yàn)管道圖 1-2 Feng 等渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Figure 1-2 Experimental device diagram of vortex induced vibration of Feng
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE95

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2681905