隔水管渦激動(dòng)力響應(yīng)及疲勞損傷可靠性分析.pdf

1、隔水管是海洋浮式生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要附屬設(shè)備。為了進(jìn)一步探討在波浪、海流等外載荷作用下隔水管的運(yùn)動(dòng)特性，以便更好地應(yīng)用于工程實(shí)際中，本文對(duì)隔水管的渦激動(dòng)力響應(yīng)及疲勞損傷可靠性等進(jìn)行了深入的研究。 采用Morison方程對(duì)屬于小尺度結(jié)構(gòu)物的隔水管進(jìn)行受力計(jì)算，其中的關(guān)鍵是阻尼系數(shù)Gd和慣性力系數(shù)Cm的確定。本文基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)造具有一層隱含層的BP網(wǎng)絡(luò)來獲得合適的水動(dòng)力系數(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用附加動(dòng)量法和自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率進(jìn)行改造，其中

2、的影響參數(shù)選定為雷諾數(shù)Re、Keulegan-Carpenter數(shù)KC和粗糙度參數(shù)k.另外，在渦激動(dòng)力計(jì)算中還考慮了橫向渦激對(duì)d的影響。結(jié)果表明，采用這種方法所得到的水動(dòng)力系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果符合得較好。 通過變分法和最小勢(shì)能原理推導(dǎo)了隔水管的運(yùn)動(dòng)控制方程，該方程在順流向和橫流向上具有類似的形式。在渦激振動(dòng)計(jì)算中，以Matteoluea改進(jìn)的VanderPol尾流振子模型為基礎(chǔ)計(jì)算橫流向上隔水管與流體之間的相互作用。這里的隔水管渦激動(dòng)

3、力響應(yīng)問題是一個(gè)存在多重非線性的問題，首先隔水管的受力計(jì)算中存在速度的平方項(xiàng)；其次水動(dòng)力系數(shù)的確定受很多因素的影響，是一個(gè)嚴(yán)重非線性問題；再者，渦激問題本身也是一個(gè)非線性問題，在流體載荷的作用下隔水管產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，流體和隔水管之間存在相互作用，即流固耦合非線性；另外，隔水管的運(yùn)動(dòng)還呈現(xiàn)出大位移小變形的幾何非線性等等。本文綜合考慮了以上各種非線性的影響，通過Hermite插值函數(shù)對(duì)隔水管的動(dòng)力微分方程進(jìn)行有限元離散，利用UL法描述幾何非線性的

4、影響，并采用Newton-Raphson迭代法和Newmark方法相結(jié)合的過程建立了空間隔水管非線性渦激動(dòng)力響應(yīng)的迭代算法。頻域內(nèi)分析了隔水管固有頻率特征，時(shí)域內(nèi)考慮了不同海流分布情況、不同波浪參數(shù)、不同頂部預(yù)張力、浮體的水平和升沉運(yùn)動(dòng)等任意組合的影響，給出了以上不同參數(shù)組合下相應(yīng)的位移分布包絡(luò)線以及橫向渦激振動(dòng)響應(yīng)曲線。通過大量的計(jì)算實(shí)例，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法及程序設(shè)計(jì)的有效性和適用性。 正因?yàn)樵谕饬ψ饔孟赂羲茉谄胶馕恢酶浇鼇?/p>

5、回振動(dòng)，使得隔水管產(chǎn)生疲勞損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生疲勞斷裂，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染等。因此，如果能夠很好地抑制隔水管的振動(dòng)，則在很大程度上可以降低危險(xiǎn)發(fā)生的概率。針對(duì)目前的抑制裝置及其研究成果，本文選擇螺旋邊條作為抑制隔水管渦激振動(dòng)的裝置。為了尋找到螺旋邊條的最優(yōu)形式以便于最大程度地抑制隔水管的渦激振動(dòng)，本文利用Fluent軟件模擬了三維空間中隔水管周圍的流場(chǎng)，給出了不同流態(tài)下安裝不同螺旋邊條的模擬結(jié)果，最后建立優(yōu)化模型并對(duì)模型進(jìn)行分

6、析求解得到了螺旋邊條的最優(yōu)形式，為其實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 很多學(xué)者都只考慮渦激振動(dòng)對(duì)隔水管引起的疲勞損傷進(jìn)行分析，事實(shí)上，隔水管的順向振動(dòng)同樣重要，尤其是水深不大的情況下。本文通過VonMises應(yīng)力處理隔水管多軸應(yīng)力問題，并考慮了平均應(yīng)力的影響，計(jì)算得到隔水管關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)力時(shí)間歷程，再根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法、S-N曲線和Miner線性累積損傷模型估算隔水管的疲勞壽命，并采用Wirching方法進(jìn)行了可靠性分析。計(jì)算結(jié)果表明，所