專利名稱：一種深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深水立管設(shè)計領(lǐng)域，具體的說是一種深水頂張式立管 渦激振動與疲勞分析的方法。
背景技術(shù)：
VIV是圓柱體在定常流作用下的一種奇特振動現(xiàn)象，具體地說 VIV是渦旋脫落引起的一種圓柱體振動現(xiàn)象，是圓柱體尾流處的交替
渦旋泄放引起的振動。對于剛性圓柱體和柔性不太大的圓柱體(一般 的工程結(jié)構(gòu))，其垂直于流速方向(橫流向)的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行于 流速方向(順流向)的振幅，而振動頻率為流速方向振動頻率的二分
之一。因此，在現(xiàn)有的VIV研究中， 一般忽略順流向振動，而只研究 橫流向振動。VIV的數(shù)學(xué)模型和渦激升力模型僅有橫流向的模型，如 式1所示的Iwan尾流振子模型<formula>formula see original document page 3</formula>式l中A為結(jié)構(gòu)橫流向位移模態(tài)參數(shù)；^為尾流流體的模態(tài)參數(shù)。
再如式2所示的鎖定區(qū)渦激升力模型<formula>formula see original document page 3</formula> 式2中G為升力系數(shù)；P為流體密度；D為圓柱體直徑；f/為o,=-
流速；化為Strouhal頻率， ￡> ，其中St為斯特羅哈數(shù)
(Strouhal誦ber); t為時間。
VIV是深水立管設(shè)計的主要問題之一，由于我國的深水開發(fā)剛剛 起步，尚沒有深水立管的設(shè)計分析軟件，目前均采用國外的同類型軟 件進行設(shè)計分析，如0rcaflex和Shear7等。0rcaflex是目前被海 洋工程界普遍接受的深水立管分析軟件之一，它的VIV分析模塊采用 了尾流振子模型，計算結(jié)果與工程實測結(jié)果有較大的誤差，所以，目 前主要用于立管的波浪響應(yīng)分析，而VIV分析通常采用Shear7。 Shear7是深水立管VIV分析的專業(yè)軟件，它采用工程實測數(shù)據(jù)修正 計算參數(shù)，因此，計算結(jié)果與工程實測結(jié)果比較吻合，普遍為工程界 所接受。Shear7采用的是頻域分析方法。即將立管的時域運動方 程式3利用坐標(biāo)變換式4轉(zhuǎn)化為式5的模態(tài)(振型)坐標(biāo)方程，式3
如下-
d/2 d, (3)
式3中m為立管單位長度的質(zhì)量；y(z力為立管的橫流向彎曲位
移，其中，Z為立管軸向坐標(biāo)；c為結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)；EI和T分別為立
管截面抗彎剛度和有效張力。 式4如下式4中i;(》為立管第r階振型；^W為立管第r階振型的坐標(biāo)。
(5)
式5中M,為立管第r階模態(tài)質(zhì)量，M' = fC(z>"^; ^為立管 第r階模態(tài)阻尼，C^i^"X"Odz; ^為立管第r階模態(tài)剛度， i^f4，丫dz+fzf，丫dz ; P々)為第r階模態(tài)力，
、 乂 、 Ll^ 乂
然后采用隨機振動的譜分析方法求解式5的方程式，即采用付立 葉變換將時域的力函數(shù)轉(zhuǎn)換為頻域的譜函數(shù)，從而求得立管的響應(yīng) 譜。因此，Shear7的計算結(jié)果是以響應(yīng)的平均值和均方差表示的， 不能給出響應(yīng)時程，因而不能給出立管響應(yīng)的最大值。
上述兩個軟件的方法是目前比較有代表性的兩種VIV分析方法， 它們都沒有考慮立管的順流向振動問題。完全基于傳統(tǒng)的圓柱體VIV 理論和分析方法，而深水立管由于柔性較大，其VIV為高階(〉10階) 多模態(tài)(5 20個模態(tài))振動(一般圓柱體的VIV為1 3階模態(tài)振 動)，發(fā)明人的研究表明，對于長細(xì)比較大的深水立管，其順流向振 動幅度已達(dá)到橫流向的50% (深水立管的VIV順流向振幅與橫流向振 幅之比大于50%),由于其振動頻率高于橫流向一倍，因此，順流向 振動引起的疲勞損傷與橫流向相當(dāng)。此種情況下，深水立管VIV分析應(yīng)考慮順流向振動問題是顯而易見的，但現(xiàn)有技術(shù)給出的分析方案明 顯無法滿足這一需要。
深水頂張式立管是由兩個或三個鋼管組成的管中管結(jié)構(gòu)，如圖1
所示，由內(nèi)至外依次包括油管(圖l.a)、內(nèi)套管(圖l.b)、外套管 (圖l.c)。目前的分析軟件均采用彎曲剛度等效的單層管模型，使 得應(yīng)力計算與實際結(jié)構(gòu)不符。按彎曲剛度等效得到較大的等效管內(nèi) 徑，因此，軸向應(yīng)力偏大。由于外層套管僅承受外壓，因此，按等效 管計算的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力偏小。
綜上所述，現(xiàn)有的深水頂張式立管的VIV分析存在以下缺點
1、 沒有考慮順流向振動響應(yīng)，因此，位移響應(yīng)和應(yīng)力響應(yīng)均 較小，計算結(jié)果偏于不安全。
2、 尾流振子模型計算的橫流向響應(yīng)誤差較大，主要是由于尾 流振子模型將尾流處的流體看作是與固體具有相同性質(zhì)(具有固定形 狀)的物體做相同模態(tài)的振動，并與結(jié)構(gòu)相互作用。
3、 渦激升力模型沒有考慮流固耦合效應(yīng)，因此，只適用于鎖 定區(qū)的VIV分析。
4、 渦激升力的頻率采用Strouhal頻率，而在鎖定區(qū)，渦旋泄 放頻率不符合Strouhal頻率計算式。因此，渦激升力用于鎖定區(qū)的 VIV分析，其頻率與實際的渦旋泄放頻率不同，造成計算結(jié)果的不準(zhǔn) 確。
5、 由于立管的外套管應(yīng)力最大，因此，立管設(shè)計主要是外套 管應(yīng)力校核。而現(xiàn)有軟件均采用彎曲剛度等效的單層管模型，造成軸向的內(nèi)壁彎曲應(yīng)力計算值偏小(內(nèi)徑偏差)、張力應(yīng)力計算值偏大(截 面積偏差)，環(huán)向應(yīng)力計算值偏小(壁厚偏差)，徑向應(yīng)力計算值偏大 (受力情況與實際不符)。
6、 不能計算油管和內(nèi)套管應(yīng)力，因而無法校核油管和內(nèi)套管 的強度和疲勞壽命。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種深水頂 張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，采用實際的管中管模型，同時 考慮順流向振動和橫流向振動，提高了應(yīng)力計算的準(zhǔn)確度。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是-
一種深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，其特征在于-其具體步驟為
步驟l，獲取流場數(shù)據(jù)；
步驟2，將流場數(shù)據(jù)代入立管振動方程式6和7
<formula>formula see original document page 7</formula>
(6)
<formula>formula see original document page 7</formula>(7)
中；
步驟3，采用有限元方法求解式6、 7，計算結(jié)果包括位移、速度、加速度和應(yīng)力時程；
步驟4，根據(jù)所述計算結(jié)果采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計出一段時間內(nèi)， 某個幅值的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)"i ，將",代入疲勞損傷計算公式8
D = 5>^ (8) 中，計算出疲勞損傷。
本發(fā)明所述的深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，采用 實際的管中管模型，同時考慮順流向振動和橫流向振動，提高了應(yīng)力 計算的準(zhǔn)確度。
本發(fā)明有如下附圖
圖l.a油管實際受力狀態(tài)示意圖
圖l.b內(nèi)套管實際受力狀態(tài)示意圖
圖l.c外套管實際受力狀態(tài)示意圖 圖2等效管模型受力狀態(tài)示意圖 圖3雨流計數(shù)法示意圖
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的目的在于
1、 在深水立管的VIV分析中，考慮順流向振動，從而使分析模型和結(jié)果與實際工程問題更吻合。
2、 改進現(xiàn)有渦激升力模型，考慮流固耦合效應(yīng)對渦激升力的 影響，改善VIV分析精度。
3、 改進現(xiàn)有渦旋泄放頻率的計算模型，使其不僅適用于鎖定 區(qū)，也適用于非鎖定區(qū)。
4、 采用時域分析方法，直觀地分析立管VIV的最大振幅及其 應(yīng)力和疲勞損傷。
5、 采用立管的實際結(jié)構(gòu)(管中管)計算應(yīng)力，使得應(yīng)力的計 算符合結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)，則應(yīng)力狀態(tài)更符合實際工程結(jié)構(gòu)實際的 應(yīng)力狀態(tài)。可以計算油管和內(nèi)套管的應(yīng)力，從而可以對油管和內(nèi)套管 進行應(yīng)力校核。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明公開了一種深水頂張式立管渦激振動與疲 勞分析的方法，其具體步驟為 步驟l，獲取流場數(shù)據(jù)；
步驟2，將流場數(shù)據(jù)代入立管振動方程式6和7
(附化。)"^ + (c + c。)"^T"
+ — r ^￡^2 =丄CD - *， /)]2 cos 2化7
、 。；&2 、 " &
+一 =丄Qpi)[t/②-啦o]2咖一
(6)
(7)
中；
步驟3，采用有限元方法求解式6、 7，計算結(jié)果包括位移、速度、加速度和應(yīng)力時程；
步驟4，根據(jù)所述計算結(jié)果采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計出一段時間內(nèi)， 某個幅值的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)"i ，將",代入疲勞損傷計算公式8
(8)
中，計算出疲勞損傷。
分析深水頂張式立管渦激振動與疲勞需要流場數(shù)據(jù)(流場數(shù)據(jù)包 括流速及其沿水深的變化和不同流速發(fā)生概率，代入式6、 7的右 端項中字母 〃的位置和W:計算式"=2"["(z)^^)]&中 〃的位置)，
如流速及其沿水深的分布。流速沿水深的變化體現(xiàn)在公式6、 7的右 端項，即^^D["(z)-:^，/)]2cosw;,及其W = 2"["(z)^(")]汾中，流速
f/(z)中的z即為水深坐標(biāo)。
不同流速發(fā)生的概率是不體現(xiàn)在公式中的，是計算疲勞損傷的依 據(jù)。結(jié)構(gòu)的疲勞分析是通過計算一段時間內(nèi)(通常為一年)各種荷載 引起的疲勞損傷來判斷結(jié)構(gòu)的疲勞強度，對于立管等海洋結(jié)構(gòu)物，一 般是計算一年時間內(nèi)的疲勞損傷，其倒數(shù)就是疲勞壽命。而一年內(nèi)， 海流的流速是不斷變化的，通過觀測，人們可以得到不同流速發(fā)生的 時段，統(tǒng)計后就得到了一年內(nèi)，每個流速發(fā)生的總時段(小時數(shù))， 除以一年的時段(小時數(shù))就得到了該流速的發(fā)生概率。這些數(shù)據(jù)是 立管設(shè)計時的已知數(shù)據(jù)，輸入后，程序在計算某個流速的疲勞損傷時， 將計算結(jié)果乘以該流速的發(fā)生概率，就得到了一年內(nèi)該流速引起的疲勞損傷，將所有流速引起的疲勞損傷累加起來，就是立管一年的疲勞 損傷。
這些數(shù)據(jù)是油田開發(fā)時就己經(jīng)通過海洋環(huán)境監(jiān)測獲得的，以便作 為立管設(shè)計的依據(jù)，并提供給設(shè)計人員。
將流場數(shù)據(jù)代入渦激升力模型和立管振動方程中
<formula>formula see original document page 11</formula>(6)
(7)
上式中僅右端(渦激升力，即公式的右端項 |ciAD[C/(-)-;t(V)]2C0S—)的渦激升力與這些數(shù)據(jù)有關(guān)，即公式中的
流速一項。流速沿水深的變化體現(xiàn)在公式6、 7的右端項 會C,[C/(z) —Jt(z力fc。s2fi)》和會CiAD[t/(z)-啦0]2cosc^中，而流速的
發(fā)生概率是在上述方程計算結(jié)束后，計算疲勞壽命時需要的數(shù)據(jù)，具 體過程前面已經(jīng)介紹，這里不再贅述。
計算過程是解微分方程，采用有限元數(shù)值解來求解順流向和橫流 向兩個動力方程。
計算結(jié)果包括位移、速度、加速度和應(yīng)力時程。式6、 7是以公 知的計算公式為基礎(chǔ)，本發(fā)明沒有改變公式的基本結(jié)構(gòu)，只是加入了 一些修正參數(shù)，如瓜、G。下面以式7為例給出推導(dǎo)過程
令y②W) (a)其中r(Z)為單元插值函數(shù)，^U)為結(jié)點位移函數(shù)。代入式7得
(W + /Wa ) + (C + C。 )
1 2 (b)
+." (z)w) _ r. rxz)《0)=s [[/<>)—i(z， cos (b)式兩端同時乘以r(z)并沿單元積分
(w + w。 ) I + (c + c。 ) {IW(物(O
柳
(c)
=丄C^pDcos o>〖["O) - jt(z，Of & 2 力
(c) 式可表示為M《(/) + Q(/) + i^(/)-F(0 (d) 其中M = (w + w。)〖7(z)y(z>fe
=丄CiyoD cos w》〖["(z) - ;t(z， 0]2必 2 力
(d) 式的求解可采用Newmark-P法，這是一個公知的方法。(d) 式的計算結(jié)果為立管的位移、速度和加速度。將位移計算結(jié)果代入(a) 式即可得到立管的位移響應(yīng)。然后根據(jù)梁彎曲的應(yīng)力計算公式
必2 2
計算出立管橫截面的最大彎曲應(yīng)力。
然后根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果采用雨流計數(shù)法(雨流計數(shù)法是公知的方 法，它需要應(yīng)力時程(如圖3所示)數(shù)據(jù))，統(tǒng)計出一段時間內(nèi)(圖3為 100秒)，某個幅值的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)/ ,，這是雨流計數(shù)法的計算結(jié)果， 再代入疲勞損傷計算公式(公知的公式)
12計算出疲勞損傷。式8中M為第i個應(yīng)力循環(huán)幅值對應(yīng)的材料疲勞
破壞的循環(huán)次數(shù)，由材料的S-N曲線査得。材料的S-N曲線給出的是 材料的疲勞應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，是傳統(tǒng)的疲勞分析工具和方法， 俗稱為S-N曲線法。 '
本發(fā)明所述的深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，采用 了式6和式7所示的同時考慮順流向振動和流固耦合的VIV分析模
<formula>formula see original document page 13</formula>式6、 7中x(W)和y""分別為順流向和橫流向振動響應(yīng)函數(shù); Z為立管軸向坐標(biāo)；t為時間；X"0、 ^z，0、 z和t四個參數(shù)為非 輸入?yún)?shù)，是程序計算的參數(shù)和坐標(biāo)系統(tǒng)；m和c分別為立管單位長 度的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，立管單位長度的質(zhì)量是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 得到的，結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)是經(jīng)驗系數(shù)，對于一定的材料，其值有一個取 值范圍，根據(jù)經(jīng)驗確定；附。和c。分別為附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)， 附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)可由公知的Morison公式的相應(yīng)參數(shù) 計算得到；EI和T分別為立管截面抗彎剛度和有效張力，EI和T可由結(jié)構(gòu)設(shè)計得到；C。和&分別為拖曳力系數(shù)和升力系數(shù)，Q和Q為 經(jīng)驗系數(shù)，可由相應(yīng)的圖表査得；P為流體密度，有表可査；"為流 速，設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由油田的開發(fā)商提供；i為立管順流向振動速 度，由式6計算得到，因此，式6、 7的求解順序是先解6式，再解
7式；化'表示考慮流固耦合的渦旋泄放頻率，《=2豐(,啦豐，
S,為斯特羅哈數(shù)，Z 為立管外徑。
由上述可見，式6、 7所示的模型考慮了流固耦合效應(yīng)對渦激升
力和渦旋泄放頻率的影響。
本發(fā)明給出的上述分析模型與現(xiàn)有分析模型的區(qū)別在于
1 、通過附加質(zhì)量系數(shù)m。和附加阻尼系數(shù)c。來考慮流固耦合效應(yīng);
2、 通過采用流體與立管的相對速度(式6和式7右端項的 [t/(z)-;t(W)])來考慮流固耦合對渦激升力和渦旋泄放頻率的影響， 這與現(xiàn)有的渦激升力模型lc,pZX/2cos^不同，現(xiàn)有的渦激升力模 型中采用的是流體的絕對速度 〃和Strouhal頻率化=^^;
3、 采用式6來計算順流向的VIV。
本發(fā)明的應(yīng)力計算與現(xiàn)有軟件的計算方法有較大的區(qū)別，現(xiàn)有軟 件按等效管模型計算立管的應(yīng)力，與立管的實際受力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài) 不符。因為立管的最內(nèi)層管是油管，內(nèi)套管與油管之間的環(huán)形空間是 氣舉線(采集天然氣)，而外套管是隔水管，它與內(nèi)套關(guān)之間的環(huán)形 空間是常壓空氣。因此，油管和套管的受力是不同的，如圖1所示， 油管受內(nèi)壓A (原油壓力)、外壓A (天然氣壓力)作用，內(nèi)套管僅受內(nèi)壓A (天然氣壓力)作用，而外套管僅受外壓A (海水壓力)作 用。而等效管模型則采用式8的彎曲剛度等效
式8中，^;為等效管模型截面抗彎剛度；^'"為油管截面抗彎
剛度；M"為內(nèi)套管截面抗彎剛度；^。"為外套管截面抗彎剛度。等 效管模型將三根管等效為一根管，計算應(yīng)力時按照一根管同時受內(nèi)壓 (原油壓力)和外壓(海水壓力)作用計算，參見圖2。應(yīng)力計算不 僅與外力有關(guān)，也與立管的壁厚有關(guān)。而等效管模型的壁厚和受力狀 態(tài)都與管中管不同，因此，計算出的應(yīng)力與管中管不同，從而與實際 工程不符。
本發(fā)明與現(xiàn)有軟件計算方法不同之處在于
1、 現(xiàn)有軟件沒有系數(shù)瓜和ca，本發(fā)明通過附加質(zhì)量系數(shù)(式7 中的瓜)和附加阻尼系數(shù)(式7中的Ca)考慮了橫流向的流固耦合效 應(yīng)。流固耦合問題通常包含在流體荷載中，而VIV的橫向振動是垂直 于流動方向的振動，因此，其荷載中并不包括橫向的流固耦合效應(yīng)。 本發(fā)明考慮到這個問題，在振動方程中增加了由于流固耦合而產(chǎn)生的 附加質(zhì)量和附加阻尼，從而解決了 VIV橫流向的流固耦合問題。
2、 傳統(tǒng)的VIV分析方法和軟件僅采用式7計算橫流向振動，而 本發(fā)明增加了式6計算順流向振動。
3、 本發(fā)明的渦激升力模型通過采用流體與立管的相對速度考慮 了流固耦合效應(yīng)，即式6、 7右端項的[t/(z)-;t(z力];
4、 本發(fā)明的渦激升力模型采用了考慮流固耦合的渦旋泄放頻率，即采用流體與立管的相對速度計算式6、 7右端項的渦旋泄放頻率
=^￡^^，表示渦旋泄放頻率，它就是渦激升力的頻率。 D
結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的大小不僅與結(jié)構(gòu)的固有頻率有關(guān)，也與外荷載的頻率
(擾力頻率)有關(guān)，因此，《;對于立管的渦激振動響應(yīng)是非常重要的 參數(shù)，也是本發(fā)明的主要特點之一。原來的表達(dá)式為化=^，稱
為斯特羅哈(Strouhal)頻率。兩個表達(dá)式的區(qū)別在于本發(fā)明的表 達(dá)式中包含了立管振動的速度i(W)，它是一個與水深和時間有關(guān)的 參數(shù)，即式6中的方程變量。從而把原表達(dá)式的流體絕對速度"改為 流體與結(jié)構(gòu)的相對速度[W"-i(W)]，即流固耦合效應(yīng)。表達(dá)式中的 分是斯特羅哈數(shù)(Strouhal number)，是一個經(jīng)驗系數(shù)，在103<Re〈105 范圍(Re為雷諾數(shù))，取0.2。表達(dá)式中的D為立管直徑，是結(jié)構(gòu)設(shè)計 時確定的，在本發(fā)明中作為已知數(shù)輸入。
5、本發(fā)明采用外套管的實際內(nèi)外徑計算彎曲應(yīng)力，采用三根管 的截面積之和計算張力引起的應(yīng)力，而現(xiàn)有軟件采用彎曲剛度等效的 單層管模型計算彎曲應(yīng)力和張力應(yīng)力。張力引起的應(yīng)力等于立管的有
—工
效張力除以立管的截面積，即CT = 7。由于立管的有效張力是施加 在三根管上的，因此，上式的A應(yīng)為三根管的截面積之和。
立管軸向應(yīng)力是由立管的有效張力和彎矩以及立管的截面幾何 性質(zhì)決定的，而按照彎曲剛度等效得到的等效管內(nèi)徑大于按截面積等 效的等效管內(nèi)徑。因此，等效管的截面積小于三根管的實際截面積。 從而使張力引起的應(yīng)力計算結(jié)果偏大，而等效管內(nèi)徑小于外套管內(nèi)
16徑，因此，內(nèi)壁彎曲應(yīng)力的計算結(jié)果遠(yuǎn)小于外套管的內(nèi)壁彎曲應(yīng)力， 用于校核外套管應(yīng)力是偏于不安全的。
6、 本發(fā)明采用外套管內(nèi)、外徑和實際受力狀態(tài)(僅受外壓)計 算徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，而現(xiàn)有軟件則采用等效管的內(nèi)外徑和與實際 不符的受力狀態(tài)(同時承受內(nèi)、外壓)計算徑向和環(huán)向應(yīng)力。
7、 本發(fā)明采用內(nèi)套管內(nèi)、外徑和實際受力狀態(tài)(僅受內(nèi)壓)計 算內(nèi)套管的應(yīng)力，而現(xiàn)有軟件不能計算內(nèi)套管應(yīng)力。
8、 本發(fā)明采用油管內(nèi)、外徑和實際受力狀態(tài)(受內(nèi)、外壓)計 算油管的應(yīng)力，而現(xiàn)有軟件不能計算油管應(yīng)力。
立管是由油管和套管組成的，根據(jù)套管是單層套管或雙層套管， 立管又分為單屏立管(單層套管)和雙屏立管(雙層套管)。國外現(xiàn) 有軟件只能計算外套管的應(yīng)力而不能計算內(nèi)套管和油管應(yīng)力，因此， 不能校核內(nèi)套管和油管的強度與疲勞壽命。本發(fā)明增加了油管和內(nèi)套 管的應(yīng)力計算。
本發(fā)明與現(xiàn)有VIV分析軟件相比具有下述優(yōu)點-
1、 增加了 VIV順流向振動分析計算，比現(xiàn)有軟件僅計算橫流向 VIV更加符合深水立管的運動和受力狀態(tài)。
2、 采用立管實際結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和受力狀態(tài)計算立管的各應(yīng)力 分量，比現(xiàn)有軟件采用等效管的幾何參數(shù)和受力狀態(tài)(與實際結(jié)構(gòu)不 符)計算出的應(yīng)力更準(zhǔn)確。
3、 本發(fā)明不僅可以計算外套管的強度和疲勞損傷，而且可以計算油管和內(nèi)套管的強度和疲勞損傷，彌補了現(xiàn)有軟件不能計算油管和 內(nèi)套管應(yīng)力和疲勞損傷的不足。
4、 在VIV運動方程中增加了附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)，考 慮了流固耦合效應(yīng)對立管VIV的影響，使VIV分析更加符合工程實際。
5、 將渦激升力中的流體速度項改為流體與立管的相對速度，從 而考慮了流固耦合效應(yīng)對渦激升力的影響。
6、 將Strouhal頻率中的流體速度項改為流體與立管的相對速 度，從而考慮了流固耦合效應(yīng)對渦旋泄放頻率的影響，使渦旋泄放頻 率與實驗結(jié)果吻合得更好。
權(quán)利要求
1.一種深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，其特征在于其具體步驟為步驟1，獲取流場數(shù)據(jù)；步驟2，將流場數(shù)據(jù)代入立管振動方程式6<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>m</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>2</mn></msup><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <msup><mrow> <mo>∂</mo> <mi>t</mi></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>c</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><mo>∂</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>+</mo><mi>EI</mi><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>4</mn></msup><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><msup> <mi>z</mi> <mn>4</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mi>T</mi><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>2</mn></msup><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><msub> <mi>C</mi> <mi>D</mi></msub><mi>ρD</mi><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>U</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mover> <mi>x</mi> <mo>·</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><mn>2</mn><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>s</mi> <mo>′</mo></msubsup><mi>t</mi> </mrow>]]></math></maths>和7<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>m</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>2</mn></msup><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><msup> <mi>t</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub><mi>c</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><mo>∂</mo><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mo>+</mo><mi>EI</mi><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>4</mn></msup><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><msup> <mi>z</mi> <mn>4</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mi>T</mi><mfrac> <mrow><msup> <mo>∂</mo> <mn>2</mn></msup><mi>y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>∂</mo><msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><msub> <mi>C</mi> <mi>L</mi></msub><mi>ρD</mi><msup> <mrow><mo>[</mo><mi>U</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mover> <mi>x</mi> <mo>·</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mi>cos</mi><msubsup> <mi>ω</mi> <mi>s</mi> <mo>′</mo></msubsup><mi>t</mi> </mrow>]]></math></maths>中；步驟3，采用有限元方法求解式6、7，計算結(jié)果包括位移、速度、加速度和應(yīng)力時程；步驟4，根據(jù)所述計算結(jié)果采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計出一段時間內(nèi)，某個幅值的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)ni，將ni代入疲勞損傷計算公式8<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mi>i</mi></munder><mfrac> <msub><mi>n</mi><mi>i</mi> </msub> <msub><mi>N</mi><mi>i</mi> </msub></mfrac> </mrow>]]></math></maths>中，計算出疲勞損傷。
全文摘要
一種深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，涉及深水立管設(shè)計領(lǐng)域，其具體步驟為步驟1，獲取流場數(shù)據(jù)；步驟2，將流場數(shù)據(jù)代入立管振動方程式6和7中；步驟3，采用有限元方法求解式6、7，計算結(jié)果包括位移、速度、加速度和應(yīng)力時程；步驟4，根據(jù)所述計算結(jié)果采用雨流計數(shù)法統(tǒng)計出一段時間內(nèi)，某個幅值的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n<sub>i</sub>，將n<sub>i</sub>代入疲勞損傷計算公式8中，計算出疲勞損傷。本發(fā)明所述的深水頂張式立管渦激振動與疲勞分析的方法，采用實際的管中管模型，同時考慮順流向振動和橫流向振動，提高了應(yīng)力計算的準(zhǔn)確度。
文檔編號G01M13/00GK101539477SQ20091013658
公開日2009年9月23日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者上官麗紅, 于衛(wèi)紅, 唐世振, 黃維平 申請人:中國海洋大學(xué)