[发明专利]一种不同边界条件下带内流柔性管道固有频率的预测方法

说明书

一种不同边界条件下带内流柔性管道固有频率预测方法。目前在考虑内部运动的流体的情况下，难以准确可靠地估算带内流运动立管的固有频率。本发明首先基于弹性体虚功原理建立内外流耦合激励下的柔性管道振动偏微分方程，然后基于伽辽金法将柔性管道的振动偏微分方程转化为常微分方程，再将基于特征值法得到不同边界条件下带内流运动的柔性管道振动固有频率，最后基于分析数据，对实例进行计算分析，从而预测固有频率随无量纲内流速度的变化关系的过程。本发明用于海洋工程领域中。

技术领域

本发明涉及一种预测方法，属于电数字数据处理技术领域。

背景技术

海洋蕴含着极其丰富的油气资源，这些丰富的油气资源不仅是未来世界经济与科技发展的重点，同时也是影响经济全球化的重要因素之一。为了加快我国对海洋油气资源的开发进度，国家已明确提出了“提高海洋资源开发能力、促进海洋经济发展、维护国家海洋权益、推进海洋强国战略”的发展目标。立管是深水海洋油气开发中必不可少的设备，同时也是海洋油气开发系统中最为薄弱的结构之一。因此，有必要对立管进行安全可靠的设计。在早期设计过程中，为了避免流体激励与结构响应发生共振现象，需要满足：立管的固有频率应避开流体激励(波浪以及海流等)的主频率区。

因此，对立管的固有频率进行准确估算显得尤为重要。目前绝大多数针对柔性圆柱体固有频率的研究，均是基于仅考虑外流激励展开，并没有考虑内部运动的流体。此时，外流激励对立管产生的载荷主要包括三部分：由尾部流场漩涡发放引起的升力和阻尼力、以及由结构外部流体引起的附加质量力；结构固有频率只与阻尼力和附加质量力有关，与升力无关。而对于真实的海洋油气运输立管，除了承受外部海流激励外，还得承受内部流体激励。运动的内部流体对立管产生的载荷同样包括三部分：内流惯性力、内流科氏力以及内流离心力，且这三部分载荷均会改变立管固有频率属性以及大小。因此为了更为准确可靠地估算带内流运动立管的固有频率，必须得考虑内部运动的流体，但目前在考虑内部运动的流体的情况下，缺少准确可靠地估算带内流运动立管的固有频率的相关方法。

发明内容：

针对上述问题，本发明公开了一种不同边界条件下带内流柔性管道固有频率的预测方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种不同边界条件下带内流柔性管道固有频率的预测方法，所述预测方法首先基于弹性体虚功原理建立内外流耦合激励下的柔性管道振动偏微分方程，然后基于伽辽金法将柔性管道的振动偏微分方程转化为常微分方程，再将基于特征值法得到不同边界条件下带内流运动的柔性管道振动固有频率，最后基于分析数据，对实例进行计算分析，从而预测固有频率随无量纲内流速度v的变化关系的过程。

作为优选方案：所述预测方法包括以下步骤：

步骤一：建立内外流耦合激励下柔性管道结构振动偏微分方程：

取一长度为L、直径为D的柔性管道，柔性管道在外部均匀来流U_e以及内部均匀来流U_i耦合作用下产生的频率为固有频率，柔性管道的单位长度管道质量为m_r，柔性管道单位长度内部流体质量为m_i，柔性管道单位长度外部流体附加质量为m_f；

建立坐标系：柔性管道的底面中心点为坐标原点，x轴方向为外部来流方向，z轴方向为内流流动方向，y轴方向为横流振动方向，依据柔性管道弹性体虚功原理建立表达式为：

δU_a+δU_b＝δW_L+δW_c+δW_in  (1)