张紧式立管涡激振动疲劳损伤分析
随着经济的发展，人们对资源的需求也越来越大，油气资源的开采渐渐向深海发展，对深海立管进行的研究也不断的深入，造成海洋立管疲劳损伤的主要因素是涡激振动。关于海洋立管涡激振动的问题愈发引起国内外学者的重视，越来越多的关于涡激振动的研究分析工作也已经展开。本文主要研究的是张紧式立管的涡激振动，通过参考荷兰Delft水力学研究所超级波浪水槽进行的顶部张紧式立管的比尺涡激振动实验，选用这次实验中的部分工况，对其进行数值模拟，主要研究内容如下：（1）简要介绍立管的类型，并且说明研究深海立管的意义；（2）说明涡激振动的形成原因以及影响涡激振动的因素，并介绍涡激振动相应方程；（3）利用Ansys软件建立模型，划分网格，模拟和观察张紧式立管涡激振动的尾涡形式，并且利用软件分析不同张力和流速下张紧式立管涡激振动响应情况；（4）通过雨流计数法，使用S-N曲线，分析立管由于涡激振动引起的疲劳损伤，计算立管的疲劳寿命。关键词：张紧式立管；涡激振动；Ansys；疲劳分析目 录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 立管涡激振动研究现状 1
1.2.1 海洋立管 2
1.2.2 涡激振动机理 3
1.3 国内外研究现状 3
1.4 本文的主要内容 5
第二章 立管涡激振动基本理论 6
2.1 涡激振动基本概念 6
2.1.1涡激振动的原理 6
2.1.2影响涡激振动的因素 7
2.2 立管涡激振动基本方程 7
2.2.1 涡激振动基本参数 7
2.2.2 横流向振动方程： 10
2.2.3 数学模型 11
2.3 参数选择 15
2.4 涡激振动的分析模型 16
2.4.1 二维网格划分 16
2.4.2 二维尾涡模拟 17
2.5 本章小结 22
第三章 张紧式立管涡激振动响应预报分析 23
3.1 张紧式立管 23
3.1.1顶部张紧式立管的类型 23
3.1.2张紧式立管的主要功能 25
3.2 模态搭建 25
3.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
16
2.4.1 二维网格划分 16
2.4.2 二维尾涡模拟 17
2.5 本章小结 22
第三章 张紧式立管涡激振动响应预报分析 23
3.1 张紧式立管 23
3.1.1顶部张紧式立管的类型 23
3.1.2张紧式立管的主要功能 25
3.2 模态搭建 25
3.2.1 三维网格划分 25
3.2.2 CFX基本步骤 26
3.3 数据处理和分析 27
3.4 本章小结 35
第四章 张紧式立管涡激振动疲劳分析 36
4.1 疲劳分析理论与方法 36
4.1.1 疲劳定义 36
4.1.2 统计分析方法 36
4.2 立管疲劳寿命计算 37
4.3 本章小结 37
结 论 39
致 谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1 选题背景
在全球经济飞速发展的现代，人们不得不面临着这样一个问题，石油和天然气等不可再生资源的日益减少以及对资源需求量的不断增加。随着陆地的油气资源在逐年开采下日益减少，油气资源的开采方向逐渐由陆地转向海洋。近年来，油气资源在普通深水的大量开采下已经渐渐趋于饱和，人们的目光便集中在了深海油气的开采。当下，越来越多的研究都聚焦于深海油气的开采。关于海洋油气的开采运输，无论使用的是哪种海洋平台，海洋立管始终是其中必不可少的重要基础结构[1]。
由于海洋资源的开采存在着一定的风险和隐患，作为起到运输作用的海洋立管的安全问题十分重要，海洋立管主要用于输送海底高温高压的石油、天然气和其他易燃、易爆品。如果不能确保海洋立管的安全性，一旦发生损坏，不仅会对海洋平台自身造成破坏，更将污染所在的海域，造成严重的环境污染和生态破坏，从而引发后果更加严重的次生灾害。纵观之前的历史记录，从1994年到2006年，美国共有39起由海洋立管引发的事故，从1991至2004年，在英国大陆架中共28起由海洋立管导致的事故，2010年5月，美国墨西哥湾由于海洋立管损坏发生的一起严重的原油泄漏事件，直接经济损失更是多达数千亿美元[2]。
为确保立管的安全性，大量研究指出，导致立管损坏的主要原因是涡激振动，海洋立管处于复杂的海洋环境中，如风浪流等各种各样的海洋环境荷载对其有着很大的影响。深海中的立管有海流流过，当海流的速度达到一定程度，便会产生漩涡的脱落，这种脱落通常呈现周期性，从而造成立管的涡激振动。漩涡脱落的频率会不断变化，当这个数值接近于立管的某一固有频率时，在一个较大的流速范围内，漩涡脱落的频率将受到结构振动的影响，固定在结构的固有频率附近，即锁振现象[3]。涡激振动会造成立管的振幅增加，增加立管的疲劳损伤，使立管发生疲劳破坏。因此，研究涡激振动对海洋立管造成的疲劳损失有着十分重要的研究意义。
1.2 立管涡激振动研究现状
海洋立管涡激振动涉及到许多科学问题,如紊流、湍流分离流动、不完全转捩的过渡剪切层等，高度耦合的流体运动和未知的结构响应是解决这一问题的难点所在,到目前为止，学术界还没有找出能够完全解决这一问题的方法。对海洋立管涡激振动响应机制的研究在不断进行，这一直是海洋工程领域的一个重大问题[4]。
1.2.1 海洋立管
随着海洋资源逐渐向深水开发,对工程设备的要求也不断的提高。伴随着时代与科技的发展，各种新的工程设备逐渐取代旧的设备，从而适应更严格的工程要求，满足深水开发的条件。水的深度的增加使得开采的难度也不断增加，传统的固定式平台已经逐渐不能满足深海工程的需要,取而代之的是各种浮式结构,包括张力腿平台、半潜式平台、Spar平台以及以油轮为基础的浮式生产储卸油装置【3】。
但无论哪一类型的结构物开发海洋领域,海洋立管的使用都是必不可少的,如运输石油和天然气,钻井平台、石油生产等，立管是海洋平台的生命线。
海洋立管是连接海洋表明与海底井口的主要连接部件，是海底和海面上浮体的沟通渠道，它既可以用于浮式平台，也可以用于固定式平台[4]。一般情况下，海洋立管的上端连接着海洋平台，下端连接着海底井口。在波浪的作用下，海洋平台可能会发生一定的运动，此时立管也将随之运动，当平台产生垂直方向的运动时，立管的长度将会发生改变。立管应当考虑实际的海洋环境荷载进行设计，由于复杂的海洋环境荷载对海洋立管的影响，通常情况下，当立管直径较小时，外层会有着固定的防水套筒，所以此时海洋环境荷载对立管的影响十分小。当立管直径足够大时，立管直接承受着以波浪、洋流为主的海洋环境荷载，除此之外，立管还受到管内流体的流动作用[5]。
随着石油开采逐渐向深海方向发展，海洋立管以及海洋平台的形式结构呈现出了多样化的特点。立管的多样性主要从整体的几何形状、结构刚度、支承方式、材料属性以及截面复杂程度等方面得以体现。其中，运用最广，最主要的有以下几类：顶部预张力立管（Top Tension Riser），钢悬链立管（Steel Catenary Riser），塔式立管（Hybird Tower Riser），钻井立管（Drilling Riser）。本文主要研究的是张紧式立管(TTR)，顶部张紧式立管是被用于连接运动浮
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 立管涡激振动研究现状 1
1.2.1 海洋立管 2
1.2.2 涡激振动机理 3
1.3 国内外研究现状 3
1.4 本文的主要内容 5
第二章 立管涡激振动基本理论 6
2.1 涡激振动基本概念 6
2.1.1涡激振动的原理 6
2.1.2影响涡激振动的因素 7
2.2 立管涡激振动基本方程 7
2.2.1 涡激振动基本参数 7
2.2.2 横流向振动方程： 10
2.2.3 数学模型 11
2.3 参数选择 15
2.4 涡激振动的分析模型 16
2.4.1 二维网格划分 16
2.4.2 二维尾涡模拟 17
2.5 本章小结 22
第三章 张紧式立管涡激振动响应预报分析 23
3.1 张紧式立管 23
3.1.1顶部张紧式立管的类型 23
3.1.2张紧式立管的主要功能 25
3.2 模态搭建 25
3.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
16
2.4.1 二维网格划分 16
2.4.2 二维尾涡模拟 17
2.5 本章小结 22
第三章 张紧式立管涡激振动响应预报分析 23
3.1 张紧式立管 23
3.1.1顶部张紧式立管的类型 23
3.1.2张紧式立管的主要功能 25
3.2 模态搭建 25
3.2.1 三维网格划分 25
3.2.2 CFX基本步骤 26
3.3 数据处理和分析 27
3.4 本章小结 35
第四章 张紧式立管涡激振动疲劳分析 36
4.1 疲劳分析理论与方法 36
4.1.1 疲劳定义 36
4.1.2 统计分析方法 36
4.2 立管疲劳寿命计算 37
4.3 本章小结 37
结 论 39
致 谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1 选题背景
在全球经济飞速发展的现代，人们不得不面临着这样一个问题，石油和天然气等不可再生资源的日益减少以及对资源需求量的不断增加。随着陆地的油气资源在逐年开采下日益减少，油气资源的开采方向逐渐由陆地转向海洋。近年来，油气资源在普通深水的大量开采下已经渐渐趋于饱和，人们的目光便集中在了深海油气的开采。当下，越来越多的研究都聚焦于深海油气的开采。关于海洋油气的开采运输，无论使用的是哪种海洋平台，海洋立管始终是其中必不可少的重要基础结构[1]。
由于海洋资源的开采存在着一定的风险和隐患，作为起到运输作用的海洋立管的安全问题十分重要，海洋立管主要用于输送海底高温高压的石油、天然气和其他易燃、易爆品。如果不能确保海洋立管的安全性，一旦发生损坏，不仅会对海洋平台自身造成破坏，更将污染所在的海域，造成严重的环境污染和生态破坏，从而引发后果更加严重的次生灾害。纵观之前的历史记录，从1994年到2006年，美国共有39起由海洋立管引发的事故，从1991至2004年，在英国大陆架中共28起由海洋立管导致的事故，2010年5月，美国墨西哥湾由于海洋立管损坏发生的一起严重的原油泄漏事件，直接经济损失更是多达数千亿美元[2]。
为确保立管的安全性，大量研究指出，导致立管损坏的主要原因是涡激振动，海洋立管处于复杂的海洋环境中，如风浪流等各种各样的海洋环境荷载对其有着很大的影响。深海中的立管有海流流过，当海流的速度达到一定程度，便会产生漩涡的脱落，这种脱落通常呈现周期性，从而造成立管的涡激振动。漩涡脱落的频率会不断变化，当这个数值接近于立管的某一固有频率时，在一个较大的流速范围内，漩涡脱落的频率将受到结构振动的影响，固定在结构的固有频率附近，即锁振现象[3]。涡激振动会造成立管的振幅增加，增加立管的疲劳损伤，使立管发生疲劳破坏。因此，研究涡激振动对海洋立管造成的疲劳损失有着十分重要的研究意义。
1.2 立管涡激振动研究现状
海洋立管涡激振动涉及到许多科学问题,如紊流、湍流分离流动、不完全转捩的过渡剪切层等，高度耦合的流体运动和未知的结构响应是解决这一问题的难点所在,到目前为止，学术界还没有找出能够完全解决这一问题的方法。对海洋立管涡激振动响应机制的研究在不断进行，这一直是海洋工程领域的一个重大问题[4]。
1.2.1 海洋立管
随着海洋资源逐渐向深水开发,对工程设备的要求也不断的提高。伴随着时代与科技的发展，各种新的工程设备逐渐取代旧的设备，从而适应更严格的工程要求，满足深水开发的条件。水的深度的增加使得开采的难度也不断增加，传统的固定式平台已经逐渐不能满足深海工程的需要,取而代之的是各种浮式结构,包括张力腿平台、半潜式平台、Spar平台以及以油轮为基础的浮式生产储卸油装置【3】。
但无论哪一类型的结构物开发海洋领域,海洋立管的使用都是必不可少的,如运输石油和天然气,钻井平台、石油生产等，立管是海洋平台的生命线。
海洋立管是连接海洋表明与海底井口的主要连接部件，是海底和海面上浮体的沟通渠道，它既可以用于浮式平台，也可以用于固定式平台[4]。一般情况下，海洋立管的上端连接着海洋平台，下端连接着海底井口。在波浪的作用下，海洋平台可能会发生一定的运动，此时立管也将随之运动，当平台产生垂直方向的运动时，立管的长度将会发生改变。立管应当考虑实际的海洋环境荷载进行设计，由于复杂的海洋环境荷载对海洋立管的影响，通常情况下，当立管直径较小时，外层会有着固定的防水套筒，所以此时海洋环境荷载对立管的影响十分小。当立管直径足够大时，立管直接承受着以波浪、洋流为主的海洋环境荷载，除此之外，立管还受到管内流体的流动作用[5]。
随着石油开采逐渐向深海方向发展，海洋立管以及海洋平台的形式结构呈现出了多样化的特点。立管的多样性主要从整体的几何形状、结构刚度、支承方式、材料属性以及截面复杂程度等方面得以体现。其中，运用最广，最主要的有以下几类：顶部预张力立管（Top Tension Riser），钢悬链立管（Steel Catenary Riser），塔式立管（Hybird Tower Riser），钻井立管（Drilling Riser）。本文主要研究的是张紧式立管(TTR)，顶部张紧式立管是被用于连接运动浮
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