水下懸浮式管線的渦激振動與參數共振研究.pdf

1、水下懸浮式管線是一種新型的深海管線布置形式。有別于傳統(tǒng)的海底管線，水下懸浮式管線在重力、浮力及其它裝置所提供的牽引力作用下懸浮于中等水深處。其獨特的架設方式，使之相比海底管線擁有著眾多優(yōu)勢。因此，它被認為是未來深海海洋工程中極富應用價值的管線布置形式之一。
　　海流對水下懸浮式管線的影響在其設計過程中非常關鍵。當海流流過管線時，會引起其產生渦激振動。對水下懸浮式管線，渦激振動是導致其動力響應的主要原因，是其使用壽命和疲勞破壞的決定

2、性因素之一。因此，研究水下懸浮式管線的渦激振動特性有助于設計和確保其使用安全性。
　　同時，隨著水下懸浮式管線越來越多地被應用在浮式海洋平臺間用以油氣及液體的運輸。當浮式結構物在波浪上發(fā)生運動時，會帶動連接其上的水下懸浮式管線產生響應，使其張力隨時間發(fā)生變化，有可能導致管線的參數共振現象。發(fā)生參數共振時，管線的動力響應很大，將導致其結構破壞。因此，在設計水下懸浮式管線時，預報其是否會產生參數共振也非常重要。
　　研究通過三種

3、水下懸浮式管線的布置形式，分別建立其動力響應的理論分析模型，通過數值計算方法，研究了水下懸浮式管線的渦激振動、單頻及多頻參數振動，以及渦激和參數激勵共同作用下管線的耦合振動響應。主要研究進展和成果如下：
　　(1)水下懸浮式管線的渦激振動分析
　　應用尾流振子模型模擬管線泄渦的水動力學特性，建立了水下懸浮式管線的渦激振動控制方程，構建計算格式，實現其數值計算和分析。分析得出：在不同來流速度下，水下懸浮式管線的渦激振動鎖定區(qū)域

4、連續(xù)；水動力阻力系數的增大能有效降低渦激振動的響應，從而表明在設計中通過安裝列板等裝置緩解管線的渦激振動在理論上是可行的。
　　(2)水下懸浮式管線的單頻參數共振預報與耦合振動分析
　　分析浮式結構物在隨機波浪上的運動特性，從而構建管線的單頻參數激勵模型，推導出單頻參數振動的Mathieu方程。運用Mathieu穩(wěn)定性圖，實現單頻參數共振的預報。通過分析：阻尼系數越大，參數振動的穩(wěn)定區(qū)域也越大，表明增大管線的運動阻尼有助于抑

5、制其參數共振現象的發(fā)生。將單頻參數激勵與渦激激勵同時考慮，建立耦合振動分析模型，通過數值計算，觀察到耦合振動過程中的模態(tài)轉換現象。經過分析，參數激勵是誘發(fā)模態(tài)轉換現象的原因之一。
　　(3)水下懸浮式管線的多頻參數共振預報與耦合振動分析
　　通過隨機波浪理論和線性疊加原理，推導出水下懸浮式管線多頻參數振動的Hill方程，及其在渦激與多頻參數激勵下的耦合振動分析模型。運用Hill穩(wěn)定性圖，預報了水下懸浮式管線的多頻參數共振，比