[发明专利]基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法

说明书

本发明公开一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，通过在同一个时间步里，将流体域和立管先分开计算，然后双向耦合，进行数据交换后，再进行下一个时间步的计算，通过基于切片法的二维流体和三维结构相耦合的数值模拟方法实现立管的振动特性分析。本发明方案更加贴合全三维模拟，较好的模拟出立管的动力特性，在保证较高的计算精度的同时大大节约了计算成本，有较高的应用价值；并尝试性地总结出立管单元划分的最优法则，合理设置立管单元的数目，有效的提高计算的精度。

技术领域

本发明属于立管振动特性分析领域，具体涉及一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法。

背景技术

随着向更深的海域勘探和开采石油、天然气等资源，海洋立管作业水深不断增加，其长细比不断增大，部分立管的长细比可以达到1000，甚至更高，而对于此类大长细比立管来说，其柔性变形的尺度愈发显著，逐渐表现出复杂的多频、多模态振动等动力特性，造成更严重的疲劳损伤。现有技术中，对于立管的振动特性分析多采用将立管简化为一个节点3个自由度或2个自由度的2维平面欧拉梁模型进行分析，而此种方式忽略立管结构本身的三维特性，具体分析时很难直接体现柔性立管涡激振动本质，对于精准捕捉三维的尾涡脱落特性也存在一定的局限性。

发明内容

本发明为解决现有技术中对立管进行振动特性分析时忽略其三维特性所存在的缺陷，提出一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，通过准确的预测其振动特性，使立管实际工程应用中，避免发生较大得振动而造成疲劳损伤。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于大长细比立管双向顺序流固耦合的振动特性分析方法，包括以下步骤：

步骤A、流体域计算：从流体域中取出N个二维流场切片，求解流体控制方程，输出流体作用力；

步骤B、立管计算：将立管划分为n个空间梁单元，n≥N，每个空间梁单元记为立管单元，求解立管的结构动力学方程，并输出所有立管单元的位移、速度和加速度；

步骤C、立管和流体域耦合：将流体作用力近似为均布荷载施加给相邻的立管单元，基于立管单元节点处的位移，速度和加速度，并结合动网格设置更新流场域，实现流体域和立管的耦合；

步骤D、对每一时间步进行计算，并得到横流向和顺流向两个方向上立管振动位移随时间的变化图；通过傅里叶变换，得到立管的振动频率，实现对立管的振动特性分析。

进一步的，所述步骤A中，计算流体作用力采用以下方式：

(1)流场数值计算：选择流场数值计算软件，选择湍流模型和离散方法，设置流体性质、设置动网格，选取需输出的数据和数值求解方法；

(2)流体控制方程：采用雷诺平均数值模拟方法，即用雷诺平均N-S方程代替N-S方程描述流体流动，采用剪切压力传输k-ω湍流模型构建流体控制方程；

(3)Fluent软件求解流场：从流体域中取出N个二维流场切片，通过FLUENT同时进行流体控制方程的求解，输出流体作用力，包括阻力和升力。

进一步的，所述步骤B具体通过以下方式实现：

(1)沿立管延长度L方向划分m个节点，n＝m-1，m≥N，以顺流向为x轴，横流向为y轴，立管长度方向为z轴，构建结构动力学方程；

(2)通过有限元法在时域内离散结构动力学方程，得到：

式中，[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K_E]是弹性刚度矩阵，[K_G]是几何刚度矩阵，两者构成刚度矩阵[K]；{F_i(t)}是x，y方向所受的荷载向量；

(3)求解该结构动力学方程，得到每个立管单元的加速度、速度、位移。