《海洋立管分析論》word版

1、海洋立管分析論文 學(xué)生姓名：宋光照 指導(dǎo)教師：黃維平 學(xué)號(hào)：030212009056專業(yè)年級(jí)：09化學(xué)摘要：海洋立管是浮式海洋平臺(tái)與海底井口間的主要連接件。作為海面與海底的一種聯(lián)系通道，他也可以用于固定式平臺(tái)及鉆探船舶。海洋立管下端通過萬向節(jié)與海底井口連接，其上端與平臺(tái)或船舶底部的滑移節(jié)配合，這樣當(dāng)平臺(tái)或船舶在波浪作用下發(fā)生任何可能的運(yùn)動(dòng)時(shí)，立管就有足夠的運(yùn)動(dòng)自由度隨之運(yùn)動(dòng)，并在平臺(tái)或船舶發(fā)生垂蕩是改變其長(zhǎng)度。由于立管是海洋工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的重要部件，作為流場(chǎng)中的細(xì)長(zhǎng)柔性管，又頗具力學(xué)特色，因此，從1950年代起，人們就開始對(duì)立管的力學(xué)特性進(jìn)行研究。 海洋立管分析可分為剛性立管的載荷分析及其剛性

2、特性，剛性立管在波和流聯(lián)合作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，其二為柔性立管分析。 關(guān)鍵字：立管 動(dòng)力分析 響應(yīng) 1. 立管可靠性現(xiàn)狀研究結(jié)構(gòu)可靠性理論的形成始于人們對(duì)結(jié)構(gòu)工程中各種不確定性的認(rèn)識(shí)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各種工程結(jié)構(gòu)物比以往更加大型化和復(fù)雜化，影響結(jié)構(gòu)安全度的因素也越來越多。結(jié)構(gòu)可靠性方法基于概率論，用各種概率模型來表征影響結(jié)構(gòu)安全的各相關(guān)因素，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)問題的處理上，較之確定性的分析方法，可以更為全面地反映各種不確定性的影響。海洋工程結(jié)構(gòu)物在其建造、維護(hù)、生產(chǎn)中存在大量的不確定因素，這不僅由于它們本身復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)形式，還與其所處的環(huán)境息息相關(guān)。較之陸地結(jié)構(gòu)，海洋工程結(jié)構(gòu)處于更復(fù)雜和環(huán)境條件

3、下，承受了更多的不確定性載荷。除自重等固定載荷外，如風(fēng)載荷、波浪力、海流沖擊力、海冰載荷、地震載荷等活動(dòng)載荷、環(huán)境載荷都是隨機(jī)載荷，這些載荷的隨機(jī)性都必須在結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)中給予適當(dāng)考慮。同時(shí)由于環(huán)境腐蝕、材料老化、海生物附著等隨機(jī)因素都將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力的衰減，從而影響結(jié)構(gòu)服役的可靠性和安全性。析時(shí)遇到的困難，相關(guān)的科技工作者發(fā)展了一種可以僅通過少量運(yùn)算，便能得到在概率上替代隱式極限狀態(tài)方程的顯式函數(shù)，這種方法即為響應(yīng)面法。響應(yīng)面法的主要思想是：選用一個(gè)適當(dāng)?shù)娘@式表達(dá)的函數(shù)來近似替代一個(gè)不能顯式表達(dá)的函數(shù)，通過盡可能少的一系列數(shù)值計(jì)算來擬合一個(gè)響應(yīng)面，以替代未知的真實(shí)的極限狀態(tài)曲面。2.

4、頂張力立管結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析研究概述(3)若波浪與海流同時(shí)存在，由于兩者的相互作用，海流會(huì)使波浪的相關(guān)特征參數(shù)如波長(zhǎng)、波速等發(fā)生改變，尤其是海流流速與波流速度接近時(shí)這種效應(yīng)就更加明顯。如圖2一l所示，在波浪和海流作用下，立管將會(huì)發(fā)生橫向(Transverse)和順流向(hi一line)渦激振動(dòng)、順流向的大位移振動(dòng)、立管相互間的碰撞、參數(shù)激勵(lì)振動(dòng)等，這些都可能導(dǎo)致立管的斷裂、疲勞等失效或破壞。歸納起來，當(dāng)前對(duì)立管的研究分析主要可以分為以下幾個(gè)大的方向:.渦激振動(dòng)研究;.參數(shù)激勵(lì)(穩(wěn)定性)研究;.順流向振動(dòng)研究;.疲勞研究。這些研究都可以采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬以及兩者相結(jié)合的方式展開研究。3. 立管動(dòng)力

5、特性分析4.頂張力立管順流向振動(dòng)分析頂張力立管動(dòng)力響應(yīng)分析方法可分為確定性方法和隨機(jī)振動(dòng)分析兩大類。對(duì)于波浪荷載作用下的確定性方法亦稱為設(shè)計(jì)波法，該法取立管結(jié)構(gòu)在其服役期限內(nèi)可能遇到的最危險(xiǎn)的一維規(guī)則波作為其最大動(dòng)應(yīng)力的設(shè)計(jì)載荷波。這種方法最主要的是根據(jù)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)資料，一般取重現(xiàn)期為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命一倍的最危險(xiǎn)的波作為設(shè)計(jì)波，該法的優(yōu)點(diǎn)在于容易計(jì)入非線性的影響以及估計(jì)流的作用，但缺點(diǎn)是不能考慮波浪的不規(guī)則性，并且對(duì)于設(shè)計(jì)波的周期的選擇也具有任意性。一般確定性方法只計(jì)算很少的幾種最危險(xiǎn)的荷載情況。但主要問題在于如何確定最危險(xiǎn)的載荷，因此往往要計(jì)算一系列的波浪狀況，即所謂采用波浪搜索方法找最危險(xiǎn)的波浪載

6、荷狀況。隨機(jī)分析法能較好的反映實(shí)際載荷的隨機(jī)特性，現(xiàn)己被廣泛應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，特別是用于結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算和可靠性分析。對(duì)于波浪載荷通常根據(jù)風(fēng)浪的統(tǒng)計(jì)資料所得到的功率譜密度函數(shù)算出波浪力的功率譜密度函數(shù)或相關(guān)函數(shù)，然后再求出結(jié)構(gòu)的隨機(jī)響應(yīng)。動(dòng)力分析既可在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行又可在頻域內(nèi)進(jìn)行。在頻域內(nèi)分析時(shí)一般不考慮瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)特性，只分析穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，也適用于非線性的隨機(jī)振動(dòng)分析。時(shí)域分析可以計(jì)算瞬態(tài)的動(dòng)力響應(yīng)并較容易計(jì)入各種非線性的因素，主要可分為直接求解法和模態(tài)疊加法。模態(tài)疊加法主要是用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，直接積分求解法則需要考慮計(jì)算效率和計(jì)算過程的穩(wěn)定性與收斂性，其中的算法是尤為重

7、要的。相對(duì)來說時(shí)域分析較頻域分析精確，該法能夠綜合考慮拖曳力的非線性、立管與流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、以及波浪力，缺點(diǎn)是計(jì)算需要較長(zhǎng)的時(shí)間，雖然目前計(jì)算機(jī)處理速度已大大提高，但仍顯不足，尤其是在時(shí)域內(nèi)對(duì)立管進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析更加耗時(shí)。頻域分析法要比時(shí)域分析法快得多，所需要的時(shí)間和靜態(tài)分析的時(shí)間大體相等，但必須采用線性波浪理論。由于Morison方程中的曳力項(xiàng)正比于水質(zhì)點(diǎn)速度的平方，而采用頻域分析法時(shí)必須將曳力線性化，這就造成精度上的誤差，這也是頻域分析法最大的缺點(diǎn)。但如果線性化技術(shù)處理精確，頻域分析法將取得與時(shí)域規(guī)則波法和隨機(jī)波浪法非常接近的結(jié)果。頻域分析法常作為立管常規(guī)動(dòng)態(tài)分析時(shí)替代時(shí)域動(dòng)態(tài)分析的方法，

8、可將頻域分析結(jié)果用于立管初期設(shè)計(jì)階段，而采用時(shí)域分析對(duì)立管最終設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)前對(duì)于立管的動(dòng)力響應(yīng)分析大多采用設(shè)計(jì)波法在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行求解，假定波浪具有確定的波高和周期，采用一定的波浪理論計(jì)算出水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度，然后用Morison方程計(jì)算作用于立管的水動(dòng)力載荷。對(duì)于載荷的處理又可分為線性化的和非線性化兩種類型。立管的隨機(jī)分析把海浪作為隨機(jī)過程，選取合適的隨機(jī)波浪譜按照波浪模擬方法分解為具有不同周期、不同相位、不同幅值的余弦波的疊加，然后計(jì)算立管對(duì)組成波列的動(dòng)力響應(yīng)。在頻域?qū)α⒐苓M(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析時(shí)采用譜分析技術(shù)，即由波浪譜得到波力譜，再由波力譜得到力管的響應(yīng)譜(位移譜或者應(yīng)力譜)，最后得到立管位移或者應(yīng)力的相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息。前面已對(duì)立管順流向的動(dòng)力響應(yīng)分析進(jìn)行了綜述，目前對(duì)于立管順流向動(dòng)力響應(yīng)的分析，研究者大都考慮到平臺(tái)的靜偏移，而忽略了平臺(tái)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，并且將非線性拖曳力進(jìn)行了線性化處理，對(duì)各種外界載荷及邊界條件共同作用下立管的動(dòng)力響應(yīng)也缺少綜合計(jì)算分析。本章將綜合考慮管內(nèi)流體、海流、隨機(jī)波浪、浮體運(yùn)動(dòng)等各種載荷及邊界條件共同作用以及非線性拖曳力對(duì)立管動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立并求解立管非線性運(yùn)動(dòng)方程，詳細(xì)分析計(jì)算