深海立管参激和涡激联合作用振动特性及其疲劳研究

一、项目完成情况.按照“揭示机理、探索规律”研究思路，采用理论分析、数值仿真和实验研究方法，基于预定的内容和目标展开研究。综合考虑参激和涡激，确定参数激励项，建立立管耦合振动分析模型；研究立管参激、参激涡激联合振动的非线性振动特性，包括立管的亚谐和组合共振特性，研究参激涡激联合振动的失稳条件；采用CFD方法和Van der Pol尾流振子模型模拟了深海立管涡激振动，分析了流速、顶张力、参数激励等因素对立管涡激振动的影响；研究参激-涡激作用立管损伤特性和疲劳分析方法；考虑南海海清，基于CFD方法，研究了高雷诺数下立管拖曳力系数和升力系数的变化规律，综合考虑拖曳力和涡激力，研究了立管二维和三维受迫振动。进行了立管参激涡激振动的试验研究，内容包括立管的阻尼特性测试、固有频率测试，在国内首次测试立管的参激-涡激振动，创新设计了测试方案。本研究取得了一系列创新成果，揭示了深海立管参激非线性振动特性和失稳机理，确定了参激对于立管涡激振动的影响规律，提出了参激涡激疲劳分析的理论与方法，实现了预定的研究目标，本项目预定研究内容和试验工作全部完成。本课题成果可为我国立管的动力优化设计提供理论基础和技术支撑。培养了博士和硕士研究生共7人，发表和录用论文18篇，申请专利1项。参加了2次国际学术会议和1次国内学术会议。邀请外国专家来进行学术交流1次。.二、项目研究成果.1、提出了深海立管随机参数激励的确定方法，建立了深海立管参激-涡激联合振动分析模型。提出了顶端可动边界和固定边界模型固有振动特性计算公式。该成果对于避免立管的涡激和参激谐振具有指导意义。.2、给出了深海立管参激和涡激作用下，立管的亚谐振动、组合共振的振动特性以及发生参数振动失稳的条件。揭示了立管发生一阶参数共振的机理，以及立管一阶参数共振不稳定区的分析方法。.3、在雷诺数较高和振幅比较大时，立管受迫振动的锁定区间会增大，立管出现“锁定”振动的频率范围加大，更易导致立管发生疲劳破坏。.4、参数激励加剧了立管的涡激振动，立管横向振动固有频率约是参激频率的0.5倍时，出现参数激励内共振，参数激励作用下，立管振动明显增大，尤其立管底部振动位移和弯曲应力明显增大。.5、揭示了参激-涡激振动立管疲劳损伤机理，提出了参激-涡激振动疲劳损伤预报方法，指出了减小立管参激振动影响和延长寿命的有效途径。.6、提出了参激-涡激振动测试的方法和技术。