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1、平臺樁腿渦激振動響應研究12[張倩杜宜洋][1，大連船舶重工集團設計研究所有限公司，116021；2，大連職業(yè)技術學院，116035][摘要]由于平臺樁腿在水中會受到渦激力的影響，而它的長期作用會使平臺結構產生疲勞損傷。本文通過ANSYS/LS-DYNA數(shù)值分析軟件，基于任意拉格朗日歐拉法（ALE）數(shù)值模擬出不同樁腿截面以及不同方向來流對平臺渦激力的影響，對避免平臺結構疲勞損傷破壞具有指導意義。[關鍵詞]自升式鉆井平臺渦激振動數(shù)值模擬VortexInducedVibration(viv)ResponseAnal
2、ysis12[ZhangQianDuYiyang][1,DALIANSHIPBUILDINGINDUSTRYENGINEERINGANDRESEARCHINSTITUTECO.,LTD,116021;2,DALIANVOCATIONAL&TECHNICALCOLLEGE,116035][Abstract]Thelong-termvortexforceimpactedonthejack-uprigwillleadtothefatiguedamage.Therefore,thisessaydependsonLS-D
3、YNAengineeringsoftwareandALEmethod,whichvalidatesthefeasibilityofthelegofjack-uprig.Thisesseyisinstructiveandmeaningfultopreventthefatiguedamageontheunit.[Keyword]Jack-updrillingplatform;VIV;Numericalsimulation.1前言平臺的漩渦發(fā)放問題指的是靜止于來流中的圓柱型樁腿弦桿由于水流經(jīng)過會在樁腿弦桿的后方產生交
4、替的漩渦發(fā)放現(xiàn)象，形成了垂直于來流方向的漩渦升力和沿著來流方向的【1,2】阻力，當產生的漩渦發(fā)放的頻率和平臺的固有頻率接近時，就會引起漩渦共振現(xiàn)象。渦激力的產生對平臺結構是有危害的，它的長期作用會使平臺結構產生疲勞損傷。本文通過ANSYS/LS-DYNA工程軟件，基于拉格朗日歐拉法數(shù)值模擬出不同樁腿弦桿截面以及不同方【3】向來流對平臺渦激力的響應，對開展平臺結構疲勞損傷破壞的研究具有一定的參考價值。2平面圓柱旋渦發(fā)放的模擬本文首先利用LS-DYNA對最簡單的平面圓柱在來流下的旋渦發(fā)放現(xiàn)象進行模擬。其中，圓柱的直
5、徑為0.01m，來流速度為5m/s，Strouhal數(shù)取為0.2，根據(jù)渦發(fā)放頻率公式（1.1），【4】可以得出該圓柱的旋渦發(fā)放頻率為：St?v0.2?5n???100HzsB0.01（1.1）下圖1.1給出了平面圓柱的有限元模型，圖2.1（1）給出了平面圓柱有限元模型的放大模型。圖2.2給出了圓柱旋渦發(fā)放的流體速度云圖，圖2.3是帶流體速度方向的旋渦發(fā)【5,6】放云圖，圖2.3（1）為圖2.3的局部放大圖。圖2.1圓柱有限元模型及其放大圖圖2.2圓柱旋渦發(fā)放示意圖圖2.3圓柱旋渦發(fā)放矢量圖及其局部放大圖圖2.4
6、圓柱在垂直來流方向的受力曲線可以觀察得到，圓柱后方旋渦在圓柱的兩側分布，即每次當圓柱發(fā)出一個漩渦，圓柱在垂直于來流的方向的受力在大小和方向上就會發(fā)生改變，所以，通過圓柱在垂直于來流方向的受力曲線（圖2.4），可以計算得到圓柱的旋渦發(fā)放頻率約為100Hz。這個結果得到[7,8]了理論計算公式的支持。3圓柱型樁腿對平臺渦激振動響應的影響工況1，為了計算方便，模型中僅部分結構建立流固耦合如圖3.1所示，樁腿底端剛固。由于樁腿弦桿截面相同，且為等邊的三角形，所以x和y方向的來流對樁腿的影響是相同的，所以以x方向來流為例
7、來模擬樁腿渦激振動響應。圖中來流沿x軸方向流動，流體域建成為23m×16.46m×6m的長方體，網(wǎng)格大小為0.2m。在圖3.2所示的來流（1.4m/s）作用下，發(fā)生了渦激振動。取部分結構如圖3.4所示，其計算結果列于表3.1，并顯示于圖3.1至圖3.9。圖3.1圓形結構及流體局部耦合有限元模型（左）和局部放大圖（右）圖3.2結構分布及來流方向圖3.3典型流體流動圖（1.4m/s）圖3.4典型結構有效應變圖圖3.5總體結構x方向受力曲線圖3.6總體結構y方向受力曲線圖3.71號結構受力曲線圖3.82號結構受力曲線
8、圖3.93號結構受力曲線表3.1構件分析結果x方向受力最大值(N)y方向受力最大值(N)整體結構2673615421號結構2381313682號結構1003014073號結構9559942根據(jù)上述圖表可以得到，由于圖中x方向的受力主要為阻力，y方向受力為渦激力，2,3號結構在x方向的受力大小和最大值發(fā)生的時間大致相同，而1號結構與來流方向相對較遠，最大值出現(xiàn)的時刻發(fā)生滯后現(xiàn)象.4X方向
