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深水多跨管道VIV疲劳评估

作　者: 李明明
导　师: 孙丽萍
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 多跨管道管土耦合涡激振动疲劳寿命
分类号: P756.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

海底管道是海上油气生产系统的生命线,其形成的悬跨在海流环境中易发生涡激振动(Vortex Induced Vibration,简称VIV),悬跨的涡激振动是管道疲劳破坏的主要原因。长期以来海底管道涡激振动的研究针对单跨管道的比较多,而实际上在地形复杂的海底,多跨管道是很常见的。与单跨管道相比,多跨管道的振动响应更复杂。若将多跨段管道简单的分成若干单跨管道进行涡激振动响应分析,势必造成很大的计算误差。本文的主要目的便是对多跨管道VIV响应及VIV疲劳评估方法进行计算研究。本文以海底管道多跨段为研究对象,分析了多跨管道涡激振动的特点,采用了两种多跨管道涡激振动响应计算的方法,一种方法是基于DNV响应模型,结合ABAQUS有限元软件对多跨管道的模态分析,编程计算多跨管道涡激振动响应；另一种方法是采用升力系数经验模型,基于能量守恒原理进行频域多跨管道涡激振动响应幅值预报。最后通过实例计算发现这两种方法得到的结果比较一致,证明了上述两种方法的可靠性。本文根据Miner线性疲劳损伤累积理论,利用S-N曲线法计算多跨管道涡激振动疲劳寿命。同时通过算例分析了跨肩长度、相邻跨间长度、海土性质等因素对管道悬跨振动固有频率的影响。重点研究了管土接触非线性边界的影响,并采用时域和频域结合的方法进行了非线性边界多跨管道的涡激振动响应预报。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-13
  1.1 本文研究的背景目的及意义  9-10
  1.2 海底管道悬跨VIV研究现状  10-12
    1.2.1 水动力参数的研究  10-11
    1.2.2 悬跨结构参数的研究  11
    1.2.3 管道悬跨VIV疲劳评估的研究  11-12
  1.3 本文主要内容  12-13
第2章管道悬跨及其涡激振动  13-25
  2.1 海底管道悬跨的形成机理  13-14
  2.2 悬跨涡激振动概述  14-20
    2.2.1 涡激振动(VIV)机理  14-15
    2.2.2 描述旋涡泄放的几个基本参数  15-17
    2.2.3 涡流对管道悬跨的作用  17-20
  2.3 多跨管道的涡激振动  20-24
    2.3.1 多跨管道的界定  20-21
    2.3.2 多跨管道涡激振动特点  21-22
    2.3.3 多跨管道VIV疲劳分析方法  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章海底多跨管道VIV响应预报方法  25-39
  3.1 概述  25
  3.2 模态分析  25-27
  3.3 DNV响应模型  27-35
    3.3.1 流向(IL)VIV幅值响应预报模型  27-30
    3.3.2 横向(CF)VIV幅值响应预报模型  30-32
    3.3.3 多模态VIV应力范围及频率的确定  32-35
  3.4 基于Shear7的响应模型  35-38
    3.4.1 Shear7的升力系数模型  35-36
    3.4.2 基于Shear7的响应预报原理及流程  36-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章管道悬跨动力响应影响因素分析  39-51
  4.1 悬跨跨肩长度的影响分析  39-43
    4.1.1 ABAQUS管土相互作用单元(PSI)介绍  40
    4.1.2 跨肩长度对悬跨固有频率的影响  40-43
  4.2 海洋土壤性质的影响分析  43-45
  4.3 管土耦合非线性的影响分析  45-47
  4.4 非线性边界下多跨涡激振动响应分析  47-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章深水多跨管道VIV疲劳评估  51-65
  5.1 基于响应模型法的多跨管道VIV疲劳评估  51-60
    5.1.1 多跨管道的模态分析  52-54
    5.1.2 多跨管道VIV响应计算  54-56
    5.1.3 基于S-N曲线的多跨管道疲劳损伤预报  56-60
  5.2 海流流速对多跨管道疲劳损伤的影响  60-61
  5.3 弹性模量对多跨管道疲劳损伤的影响  61-62
  5.4 基于Shear7的VIV响应计算  62-64
  5.5 本章小结  64-65
结论  65-66
参考文献  66-69
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  69-70
致谢  70

深水多跨管道VIV疲劳评估

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