深水立管兩向自由度渦激振動(dòng)的數(shù)值分析

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1、振動(dòng)與沖擊第29卷第9期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo1．29No．920l0深水立管兩向自由度渦激振動(dòng)的數(shù)值分析唐世振，黃維平，劉建軍(中國(guó)海洋大學(xué)海洋工程山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島2661O0)摘要：對(duì)更加符合實(shí)際情況的兩向自由度渦激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析。研究了四種不同質(zhì)量比(m=14．45，8．30，3．50和1．87)情況時(shí)，順流向振動(dòng)與橫向振動(dòng)幅值和頻率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在大質(zhì)量比(m=14．45，8．30)時(shí)，順流向振動(dòng)頻率基本可以看做橫向振動(dòng)頻率的2倍，并且順流

2、向振動(dòng)幅值相對(duì)于橫向振動(dòng)幅值來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，符合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果；當(dāng)質(zhì)量比較小(m=3．50，1．87)時(shí)，順流向振動(dòng)幅值并不能被忽略，尤其在順流向處于鎖頻時(shí)。兩向振動(dòng)的主頻率基本維持2倍關(guān)系，但是除主頻率外在順流向和橫向振動(dòng)頻率中，還具有相同或近似相同的振動(dòng)頻率成分。關(guān)鍵詞：海洋工程；深水立管；渦激振動(dòng)；兩向自由度中圖分類(lèi)號(hào)：TU311．3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A渦激振動(dòng)是造成深水立管疲勞損傷的一個(gè)重要因響，所以本文中渦激振動(dòng)的荷載項(xiàng)改進(jìn)了附加質(zhì)量與素，關(guān)于渦激振動(dòng)的研究逐步完善。但是，前期渦激振附加阻

3、尼的影響。動(dòng)的研究主要針對(duì)立管橫向振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的順流向振動(dòng)1數(shù)學(xué)模型往往被忽略，關(guān)于立管的兩向自由度振動(dòng)的研究很少，這主要是因?yàn)榍捌诘难芯空J(rèn)為順流向振動(dòng)的幅值相對(duì)建立如圖1所較小，可以不考慮。但是隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)的柔性示的立管模型，同時(shí)增大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)呈現(xiàn)不同的性能。假設(shè)立管承受海流口Vandiver首先發(fā)現(xiàn)順流向振動(dòng)與橫向振動(dòng)的軌荷載，并且海流方向跡呈現(xiàn)’8’字圖，從而顯示了兩者之間的耦合作用。為方向。立管一一目國(guó)Moe和Wu通過(guò)試驗(yàn)的方法研究了彈性支撐圓柱體端固定，一端鉸接。的兩

4、向自由度運(yùn)動(dòng)特性，分別比較限制順流向運(yùn)動(dòng)和坐標(biāo)的零點(diǎn)在海底。．／限制橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)與兩向運(yùn)動(dòng)時(shí)的幅值比和頻率比。研對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較究得出在鎖頻的情況下，兩向運(yùn)動(dòng)的振幅大于限制順大的頂張式立管圖1立管模型流向運(yùn)動(dòng)時(shí)的振幅，并且兩者的頻率出現(xiàn)同步現(xiàn)象，但(

5、丌R)，可忽略其剪Fig．1Risermodel是并沒(méi)有對(duì)低質(zhì)量比的情況進(jìn)行研究。Jauvtis和Wil—切變形。因此，其橫liamson發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮兩向自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)，漩渦脫落向彎曲問(wèn)題口】米用Euler-Bernoulli梁的復(fù)雜彎曲理論。模式將出現(xiàn)一種新

6、的模式‘2T’模態(tài)，并且給出一個(gè)假其運(yùn)動(dòng)方程為：設(shè)的臨界質(zhì)量比m=6．0(m=流體密度／結(jié)構(gòu)密E，：一71一+度)，認(rèn)為當(dāng)質(zhì)量比低于6．0時(shí)，兩向自由度情況下，結(jié)az8Oz構(gòu)的渦激振動(dòng)將出現(xiàn)不同的性能。方等對(duì)圓柱體的m9-+c：^(z,t)(1)兩向渦激振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為渦激振動(dòng)在高雷tOt諾數(shù)時(shí)以橫向振動(dòng)為主，但是順流向振動(dòng)影響漩渦脫E，：掣一r一+落方式。兩向振動(dòng)研究同樣對(duì)懸跨管道具有重要8z6z‘dz意義[9-10]。m+cOt=J()(2)9t本文依據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果和問(wèn)題，以臨界質(zhì)量

7、比式中：為抗彎剛度；T為有效張力，T=一PlA+為界，分別選擇四種不同質(zhì)量比的圓柱體通過(guò)時(shí)域方p。A。；Tt為立管壁張力，P為管內(nèi)壓強(qiáng)，A為立管內(nèi)層法進(jìn)行兩向自由度的渦激振動(dòng)研究。同時(shí)薛¨的研究管面積，P。、A。分別為外壓及外層管面積。m為1TrR單認(rèn)為附加質(zhì)量和非線性阻尼對(duì)渦激振動(dòng)具有一定的影位長(zhǎng)度質(zhì)量，包括立管內(nèi)部流體質(zhì)量及附加質(zhì)量；c為結(jié)構(gòu)阻尼；x(z，f)為平面內(nèi)的撓曲線(順流向)；y(z，t)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目~(50639030)為出平面的撓曲線(橫向)(z，f)為平面

8、內(nèi)的外荷載，收稿日期：2009—11—09修改稿收到日期：2010一Ol一26即渦泄引起的脈動(dòng)拖曳力(z，￡)為出平面的外荷載，第一作者唐世振女，博士，1982年生即渦激升力；為水深坐標(biāo)；為立管單位長(zhǎng)度的濕重。通訊作者唐世振第9期唐世振等：深水立管兩向自由度渦激振動(dòng)的數(shù)值分析式(1)是TTR順流向運(yùn)動(dòng)微分方程，式(2)是TTR陣、剛度矩陣為小變化，可以忽略不計(jì)。每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)變橫流向運(yùn)動(dòng)微分方程?；膬H為荷載向量。在初始時(shí)刻假設(shè)順流向振動(dòng)速度、加速度以及橫向振動(dòng)速度、加速度的值都為零，即：2水動(dòng)力荷

9、載=O，c00(9)。2，1橫向力模型Y=0，Yf0=0文獻(xiàn)[7]提出考慮流固耦合的渦激升力計(jì)算模型：由Newmark一法的增量方程計(jì)算下一步的加速度、位：÷c厶pD(Ⅱ一x)COS(O(3)移和速度增量，繼而通過(guò)式(5)和式(6)以及荷載的增量形式得到荷載的增量，以此計(jì)算位移、速度和加速度式中，∞為渦泄頻率，=，S為str。uha1響應(yīng)。數(shù)，C為升力系數(shù)，P為流體密度，D為立管直徑，u為3結(jié)果與討論流速，主為立管順流向振動(dòng)速度。表1給出立管的性能參數(shù)。同時(shí)當(dāng)考慮流固耦合的作用時(shí)，