[发明专利]参激与涡激耦合作用下海洋立管振动响应模型建立及预报方法

说明书

参激与涡激耦合作用下海洋立管振动响应模型建立及预报方法，涉及一种海洋立管振动响应模型建立方法和预报方法。为了解决目前的海洋立管振动响应特性的研究均是将海洋立管轴线上的张力看作是恒定张力导致海洋立管振动响应存在非常大的误差的问题。本发明同时考虑海洋平台的沉浮运动以及海洋来流对立管的冲击作用，建立参激‑涡激耦合振动模型，然后基于张力变化因素，给出参激与涡激联合作用下海洋立管的结构振动控制方程。随后基于4阶Runge‑Kutta方法对结构振动控制方程以及尾流振子方程构成的耦合振动方程组进行联立求解，实现参激与涡激耦合作用下海洋立管振动响应分析。本发明主要用于海洋立管振动响应分析和预报。

技术领域

本发明涉及一种海洋立管振动响应模型建立方法和预报方法，属于海洋装备技术领域。

背景技术

海洋立管作为海洋油气资源开发工程中的关键性基础装备，其上端与平台相连，下端与井口或水下生产系统相连，主要承担着传递能量、信息以及输送流体等重要作用。当海洋油气开采工作水深超过300米时，传统的固定式平台(如导管架平台)已不再适用，取而代之的是各式各样的浮式平台(如张力腿平台、半潜式平台、以及Spar平台等)。与浅水固定式平台相连的立管相比，与深水浮式平台相连的立管将会面临新的挑战。深水立管除了承受外流绕结构流动引起的漩涡激励作用外，还会承受来自上端浮式平台的边界激励。浮式平台在周期性环境载荷(如波浪)作用下会产生周期性运动(比如垂荡)，这种运动会通过上端悬挂点作为边界激励作用在立管顶端，从而进一步导致立管内部张力发生周期性地变化，这种激励一般称为参数激励。参数激励引起的结构振动称为参激振动，属于非线性振动领域，其共振条件是一系列连续的区间，一旦系统的固有频率与参数激励的频率接近或相等时，极有可能引发剧烈的共振现象。此外，参激振动也将会与外流激励引起的涡激振动互为耦合，从而激发出更为复杂的振动响应特性。为了适应深海油气开采工程的发展需求，有必要建立一种准确可靠地参激与涡激耦合作用下海洋立管的振动响应预测方法。

目前绝大多数针对海洋立管振动响应特性的研究，均是将海洋立管轴线上的张力看作是恒定张力(即张力与时间变量以及空间变量均无关)。但是海洋立管在实际工作时，轴向张力不再为恒定张力，而是时变张力，变化部分的张力可由两部分组成：第一部分变化的张力(只与空间无关，而与时间无关)由湿重引起；第二部分变化的张力(只与时间有关，而与空间无关)由上端浮式平台的周期性运动产生。与轴向恒张力作用相比，轴向时变张力作用下，立管结构固有频率不再是恒定值，而是时变的。与此同时，对于真实的海洋来流，从海底到海面，流速变化会随着海流位置越来越大。换言之，实际海洋工程应用中的流体阻尼也是沿立管轴向呈动态变化的。针对这种真实流剖面下参激和涡激耦合作用下深海立管振动响应的研究，需要建立新模型、提出新方法，才能准确预报其振动响应特性，从而为深水立管早期合理设计以及服役期安全工作提供理论基础和技术保障。

发明内容

本发明是为了解决目前的海洋立管振动响应特性的研究均是将海洋立管轴线上的张力看作是恒定张力导致海洋立管振动响应存在非常大的误差的问题。

参激与涡激耦合作用下海洋立管振动响应模型建立方法，包括以下步骤：

将柔性的海洋立管记为柔性立管，柔性立管圆柱体两端采用铰接边界条件，取坐标原点O为圆柱体的下端，x方向为顺流方向，z方向为铅直方向，y方向则是横向振动方向，x,y以及z三个方向形成右手直角坐标系；

建立柔性立管的振动方程：

其中，y表示横向振动位移，t表示时间，z表示轴向坐标；EI为柔性立管的弯曲刚度；r_s和r_f分别表示结构阻尼系数以及流体阻尼系数；m_total为单位长度的振动系统质量；Θ(z,t)为柔性立管上受到的张力；p(z,t)为单位长度立管上受到的升力；

所述柔性立管上受到的张力如下：