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深海采矿扬矿管几何非线性静力分析徐海良;周刚;吴万荣;吴波【摘要】Considering the fact that the ladder pipe in deep-sea mining transporting system is likely to break down under high axial force and the connect parts tend to be stress concentration, a kind of low density was put forward, and high intensity carbon fiber composite pipe is applied to deep-sea mining transporting system. Based on the fact that the transporting pipe is under the inter-action of the draft of mining ship, the gravity of the transporting pipe and the inner liquid as well as buoyancy, carbon fiber composite pipe and steel ladder pipe were analyzed. The results show that when the mining ship is motionless, carbon fiber composite pipe's bending moment and bending stress are equal to steel ladder pipe's, but its axial force is less than one fourth of steel ladder pipe's and it can take larger axial force than steel ladder pipe. When the mining ship moves with constant peed of 0.5 m/s, the axial force, bending moment and bending stress of the two pipes are almost the same as the condition that the mining ship is motionless, but carbon fiber composite pipe's bending stress is less than half of steel ladder pipe's, and it can overcome the defect of overlarge bending stress when ladder pipe is rigid connected.%针对深海采矿输送系统中阶梯扬矿管承受轴向力过高容易断裂和连接部位容易出现应力集中的问题,提出一种低密度和高强度的碳纤维复合管应用于深海采矿输送系统.根据扬矿管在采矿船静止和等速拖航运动时,受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对碳纤维复合管和阶梯钢管进行计算分析.研究结果表明:当采矿船静止时,碳纤维复合管的弯矩和弯曲应力与阶梯钢管的差别很小,但碳纤维复合管的轴向力不到阶梯钢管的1/4,相比阶梯钢管,碳纤维复合管能承受更大的轴向载荷；当采矿船以0.5 m/s等速拖航时,2种扬矿管的轴向力、弯矩相比采矿船静止时变化不大,但碳纤维复合管的弯曲应力比阶梯钢管小一半,可克服阶梯管刚性连接时弯曲应力过大的缺点.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(042)011【总页数】7页(P3352-3358)【关键词】碳纤维复合管;几何非线性;有限元;深海采矿;扬矿管【作者】徐海良;周刚;吴万荣;吴波【作者单位】中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083;中南大学机电工程学院高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙,410083【正文语种】中文【中图分类】TH6;TD403大洋蕴藏着丰富的矿产资源，陆地资源的日益贫乏使人类将目光转向海底资源[1−3]。
2011年8月噪声与振动控制第4期文章编号：1006-1355(2011)04-0026-03钢悬链线立管振动响应影响因素分析王红霞，李喆（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200030）摘要：海洋立管内部一般有高压的油或气通过，这将对立管的振动响应产生较大的影响。
首先研究SCR管内流体的流速对结构固有频率的影响，结果表明：立管的固有频率随着管内流体流动速度的增加而降低，应在设计时予以足够重视。
另外又分析悬链线立管张力随水深的变化规律，计算考虑变张力的立管固有频率，比较分析弯曲刚度对固有频率的影响。
结果表明：弯曲刚度对前10阶频率影响不大。
因此，在计算低模态的涡激振动时，可以忽略弯曲刚度的影响。
关键词：振动与波；钢悬链线立管；流体流速；张力；弯曲刚度；固有频率中图分类号：TU311文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355-2011.04.006 Factors Analysis of Influencing of Steel Catenary RiserWANG Hong-xia，LI Zhe（State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai200030，China)Abstract:Generally,there is high-pressure oil or gas inside the ocean riser.The velocity of the fluid will greatly influence the vibration response of the riser.In this paper,the affect of fluid velocity in the riser on the natural frequency of steel catenary riser(SCR)structure is studied.The results show that the natural frequency decreases with the increase of fluid flow velocity.Thus,one should pay sufficient attention to this phenomenon in the design.Furthermore,the tensile variation of the SCR with the depth is calculated and analyzed.Considering the variation of the tension,the natural frequencies of the SCR is calculated.The influence of bending stiffness of the SCR on the natural frequency of the riser is analyzed.The results show that bending stiffness has little effect on the first10-order frequencies.Therefore,it can be ignored in calculating the low-frequency mode vortex-induced vibration.Key words:vibration and wave;steel catenary riser;fluid flow velocity;tension;bending stiffness;natural frequency海洋立管是细长的柔性构件，当立管产生较大的侧向偏移时，流体从变形的管道的一端流向另一端，流体质点会产生离心加速度和柯氏加速度，从而使得流体动压力周期性的作用于管壁，诱发立管弯曲振动。
深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比①黄 俊1,康 庄2,张岩松3,艾尚茂4(1.中海油研究总院,北京 100000;2.哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨 150001)摘要 波致疲劳损伤是深水钢悬链线立管(S C R )疲劳损伤的重要组成部分㊂分别采用时域和频域的方法对中国南海海域风暴海况引起的S C R 波致疲劳损伤进行了预报,分析了时域方法和频域方法得到的平台运动响应和立管动力响应的差异,对疲劳损伤风险位置及损伤极值等预报结果进行了对比㊂结果表明:时域方法与频域方法计算耗时差距巨大,采用频域方法得到的损伤风险位置滞后,且与时域方法相比,对立管的波致疲劳损伤进行了放大,在数量级上保持一致㊂通过上述结果分析,评估两种方法在深水钢悬链线立管波致疲劳预报中的适用性㊂关键词 钢悬链线立管;波致疲劳;频域谱分析;时域方法中图分类号:U 674.38 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)011207d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.18T i m e -f r e q u e n c y M e t h o d C o m pa r i s o n f o r W a v e -i n d u c e d F a t i g u e P r e d i c t i o n o f D e e pw a t e r S C R s H U A N G J u n 1,K A N G Z h u a n g 2,Z H A N G Y a n s o n g 2,A I S h a n gm a o 2(1.C N O O C R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e i j i n g 100000,C h i n a ;2.H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ,H a r b i n H e i l o n g j i a n g 150001,C h i n a )A b s t r a c t W a v e -i n d u c e d f a t i g u e d a m a g e i s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f d e e p -w a t e r s t e e l c a t e n a r y r i s e r (S C R )f a t i g u e d a m a g e .I n t h i s p a p e r ,t h e f a t i g u e d a m a g e o f S C R i n t h e S o u t h C h i n a S e a c a u s e d b y s t o r m s t a t e i s p r e d i c t e d t h r o u gh t i m e d o m a i n a n d f r e q u e n c y d o m a i n r e s p e c t i v e l y .T h e d i f f e r e n c e o f p l a t f o r m m o t i o n r e s p o n s e a n d r i s e r d yn a m i c r e s p o n s e o b t a i n e d b y t i m e d o m a i n m e t h o d a n d f r e q u e n c y d o m a i n m e t h o d i s a l s o a n a l y z e d .T h e p r e d i c t i o n r e s u l t s o f f a t i g u e d a m a g e r i s k p o s i t i o n a n d d a m a g e e x t r e m e v a l u e a r e t h e n c o m p a r e d .T h e a p p l i c a b i l i t y of t h e m e t h o d s i n p r o d i c t i o n o f d e e p -o c e a n r i s e r s w a v e -i n d u c e d f a t ig u e w a s e v a l u a t e d .Th e r e s u l t s h o w s t h a t t h e r ei s a h u g e g a pb e t w e e n t h e t i m e d o m a i n m e t h o d a n d t h e f r e q u e nc yd o m a i n me t h o d ,a n d t h a t t h e d a m a g e r i s k p o s i t i o n c a l c u l a t e d b yt h e f r e q u e n c y d o m a i n m e t h o d i s l a g g i n g b e h i n d .W i t h t h e f r e q u e n c y d o m a i n m e t h o d ,t h e w a v e -i n d u c e d f a t i gu e c u m u l a t i v e d a m a g e i s a m p l i f i e d ,w h i l e t h e o r d e r o f m a gn i t u d e i s c o n s i s t e n t .K e y wo r d s S C R s ;w a v e -i n d u c e d f a t i g u e ;f r e q u e n c y d o m a i n s p e c t r a l a n a l y s i s ;t i m e d o m a i n m e t h o d 0 引 言近年来,钢悬链立管由于其成本低,可以承受较大的上部浮体的升沉和漂移运动[1],且适合深海高压环境,被广泛应用于深水油气开发中㊂对于深水立管系统来说,疲劳问题也是至关重要的㊂深水钢悬链线立管(S C R )的疲劳损伤主要包括平台涡激运动引发的疲劳损伤㊁立管涡激振动疲劳损伤和波致疲劳损伤㊂深水S C R 应用的海洋环境较为复杂,容易遭受极端海况,波浪载荷大,由此引发的疲劳①项目:中国海油科技项目 陵水半潜式生产平台研究专项 (L S Z X -2020-H N -05-0405)作者简介:黄俊(1980 ),男,工学学士学位,高级工程师,现主要从事海底管道结构的设计和研究工作㊂h u a n g ju n l @c n o o c .c o m.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023第2期黄俊,等:深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比㊃113 ㊃损伤在疲劳总损伤中占比较大,因此在立管设计过程对波致疲劳损伤进行预报是十分必要的㊂在目前的实际工程中,疲劳损伤计算一般是基于频域谱分析方法和时域分析方法[2]㊂时域疲劳评估方法顾名思义是在时域中模拟得到应力数据,应用雨流计数法对应力进行处理,提取以幅值和均值为区分的应力的循环次数,之后对所截取的时间段下的总损伤进行累积计算,最后经过转换可以得到所求疲劳寿命㊂工程应用对时域法的准确性认可度较高,可以对载荷所引发的疲劳问题进行准确分析,并且还能将其中的非线性问题考虑在内㊂但该方法计算量大,对设备要求较高,耗时严重[3]㊂在实际情况下,也可以在频域内用功率谱密度来描述结构所受的随机载荷㊂频域方法计算量较小,因而耗费时间较短㊂面对较为复杂疲劳分析问题时,可以利用该方法快速地进行计算,与时域方法相比可节省大量的时间[4]㊂频域方法虽然能够极大地减小计算成本,对疲劳寿命进行快速预报,但其预报结果在精度上值得商榷㊂本文利用O r c a F l e x 软件分别采用频域方法和时域方法对南海某生产平台立管系统进行波致疲劳预报,通过对所得结果进行分析,对两种方法进行讨论㊂1 计算理论和方法1.1 悬链线理论如图1所示为基本的悬链线式钢质立管形态,θ为悬链线顶端切线方向于水平面的夹角,T h 和T v 分别是顶端张力的水平方向与垂直方向的分量㊂悬链线的一般理论方程为[5]:图1 立管静力分析图F i g .1 S t a t i c a n a l y s i s d i a gr a m o f r i s e r y =a c o s h xa-1(1)其中,定义a =T h/μ为悬链线参数,μ为管线单位长度湿重㊂在水深h 和单位长度湿重μ给定下,给出悬链线参数a 便可得到全部的立管状态参数㊂1.2 时域动力分析理论时域分析是完全非线性的,质量㊁阻尼㊁刚度㊁载荷等在各个节点上每个时间步进行计算,同时考虑瞬时几何形状的差异㊂O r c a F l e x 软件中内置两种积分方式,分别为显式积分和隐式积分,文中选用隐式积分方案,在计算时间步内更加稳定,因此速度更快㊂S C R 的运动方程可以表示为[6]:M x ㊃㊃(t )+C x ㊃(t )+K x (t )=f (t )(2)式中,M 为S C R 的质量矩阵,包括结构质量和附加质量;C 为S C R 的阻尼矩阵,包括结构阻尼和水动力阻尼;K 为S C R 的刚度矩阵;f (t )为S C R 所受到的外部载荷,主要是环境载荷和浮体响应给S C R 施加的力㊂1.3 频域谱分析理论频域分析是线性的,即频域求解过程中将任何非线性因素近似为线性㊂波频响应定义为系统与波浪随机过程相关联的一阶动态载荷作用下的响应㊂与时域下一致,波浪由指定的波浪谱描述,不同的是波浪谱在频域分析中并不用于重现海况㊂频域分析是通过对一些潜在的随机环境或加载过程应用一系列的线性映射来实现的㊂频域分析假设输入和输出都是正弦函数或者正弦函数组合的形式[7],所以频率为ωn 的不规则波:f (t )=f -㊃e i ωn t,x (t )=x -㊃e i ωn t(3)式中,f -和x -为复向量形式㊂代入式中可得:(ω2n ㊃M +i ωn ㊃C +K )㊃x -=f -(4)假设式中M ㊁C 和K 不随时间变化,S C R 结构为小直径管线结构,则f -可以通过对莫里森公式扩展得到,将f -记作F -㊂1.4 疲劳分析方法时域疲劳分析是在一段时间内对S C R 的运动响应进行求解,得到S C R 的应力响应的时历数据㊂频域谱疲劳分析是在频域内进行的,通过F E M 对S C R 结构进行分析得到频域响应函数,结合平台的运动谱和J O N S W A P 波浪谱可得到其应力在频域内的响应,通过进一步变化得到应力数据㊂在得到应力数据后结合S N 曲线法[8]即可得到其应力幅值对应的循环次数,再应用M i n e r 线性累积准则对损伤进行累加㊂重复进行上述操作可以得到立管㊃114㊃海洋工程装备与技术第10卷各个节点位置的疲劳损伤㊂具体的频域方法(a)和时域方法(b)疲劳分析流程如图2所示㊂(a)(b)图2疲劳分析流程F i g.2F a t i g u e a n a l y s i s p r o c e s s计算中所选择的S N曲线对立管疲劳损伤的影响很大,本文中立管疲劳寿命预测所用的S N 曲线选自规范B S7608(1993)E,表示为N=a S-ml o g10N=l o g10a-m l o g10S(5)其中,a㊁m为材料参数,取值为:a=3.289ˑ1012, m=3.0㊂在实际工程中,通常使用线性疲劳累积损伤理论作为其损伤累积的指导,该理论指出:在疲劳实验中,结构在不变应力的循环施加下,损伤与应力循环之间的关系可以认为是线性的,当损失积累到一定程度时,结构将产生破坏㊂其中,M i n e r损伤累计准则应用最多,其表达式为D=ðk i=1n i N i(6)其中,n i为应力的循环次数,N i为材料破坏之前可以承受的最大循环数㊂计算出在每个应力幅值下的损伤量,按照M i n e r损伤累积理论将每个幅值下的损伤值进行累积得到总损伤㊂2模型建立与参数选取2.1结构参数及耦合模型建立耦合模型中的平台模型为中国南海水深1422米的 深海一号 深水半潜式生产储油平台,由立柱和浮箱组成,吃水为37m,其设计参数见表1㊂平台采用张紧式锚链聚酯缆锚链组合形式进行系泊,系泊系统由4组㊁16根系泊线组成,如图3所示㊂表1平台主要结构尺寸T a b.1M a i n s t r u c t u r a l d i m e n s i o n s o f t h e p l a t f o r m参数/m值吃水37主尺寸91.5ˑ91.5ˑ59立柱尺寸21ˑ21ˑ50浮筒尺寸49.5ˑ21ˑ9第2期黄俊,等:深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比㊃115 ㊃图3 平台立管系泊耦合数值模型F i g .3 C o u p l e d n u m e r i c a l m o d e l o f p l a t f o r m -r i s e r -m o o r i n g立管系统由6根钢悬链式立管[9](S C R )组成,分别为一根18寸外输天然气外输立管(G E ),两根12寸生产立管(P R 1和P R 2),两根10寸生产立管(P R 3和P R 4),以及1根注入立管(M E G ),立管参数见表2㊂表2 立管参数T a b .2 R i s e r pa r a m e t e r s 立管名称G E P R 1/2P R 3/4M E G 长度/m2204212821282068外径/m0.4570.3240.2730.168内径/m0.3940.2700.2220.132材料密度/(t e /m 3)7.850涂层厚度/m0.003海床摩擦系数0.5涂层密度/(t e /m 3)0.92.2 环境参数针对南海的海洋环境,选取了5个风暴工况进行分析㊂波浪谱为J O N S W A P 谱,海流为阶梯流,以4天为周期进行疲劳分析㊂该海域的波浪参数见表3,海流参数见图4㊂表3 海况参数T a b .3 S e a s t a t e p a r a m e t e r s海况编号有效波高/m 谱峰周期/s 风速/(m /s )方向/(ʎ)持续时间/h S 513.414.743.7454.4S 412.314.4411356.7S 310.313.6341354.6S 29.51330.39015.8S 16.312.124.2064.5图4 海流参数F i g .4 F l o w v e l o c i t y pr o f i l e 2.3 平台水动力特性采用基于势流理论的A QW A 程序对半潜式平台的水动力特性进行计算,以15ʎ为浪向间隔㊂该半潜式平台是对称结构,其纵荡和横荡运动是相同的,类似的对称浪向下的响应也是重复的㊂图5和图6是半潜式平台0ʎ~90ʎ七个浪向的纵荡和垂荡的幅值响应算子㊂图5深海一号 半潜平台纵荡幅值响应算子F i g .5 S u r g i n g r e s p o n s e a m p l i t u d e o pe r a t o r㊃116㊃海洋工程装备与技术第10卷图6深海一号 半潜平台垂荡幅值响应算子F i g .6 H e a v i n g r e s p o n s e a m p l i t u d e o pe r a t o r 3 结果分析3.1 平台运动响应分析分别使用频域方法(F )和时域方法(T )对平台立管系泊组成的耦合系统进行分析,提取平台垂荡运动响应结果,将频域下的结果进行转换后,与时域下的响应结果对比,如图7所示㊂从对比结果可知,两种方法得到的垂荡响应的平均位移差异不明显,相比于时域的计算结果,频域方法会放大对响应幅值的预测,结果的平均绝对误差在4%左右㊂并且随着海况等级的增加,两种方法得到的响应曲线的差异呈上升趋势㊂图7 平台垂荡运动响应对比F i g .7 C o m p a r i s o n o f h e a v e m o t i o n r e s p o n s e o f pl a t f o r m 3.2 立管波致疲劳分析对立管系统中的1根天然气外输管(G E )和4根生产管(P R 14)进行疲劳分析,得到各S C R 的波致疲劳损伤最大值和疲劳风险位置㊂(1)疲劳风险位置预报由已有研究和疲劳预报结果可知,S C R 的波致疲劳风险位置集中在触地段区域,该位置区域的立管外壁由于在运动过程中与海床发生摩擦,极易产生疲劳损伤㊂图8(左)显示的是分别通过两种方法计算得到的各立管在所有海况下波致疲劳损伤风险最大的位置㊂由图可知,两种方法得到的波致疲劳损伤最大值的位置范围都在触地点区域,并且天然气外输管的风险位置预报两种方法结果相一致㊂在对4根生产立管的风险位置的预报中可以发现,频域方法所得位置结果在沿管长方向比时域方法滞后㊂图8(右)显示的是对横截面上风险位置的预报结果,由图可知,两种方法所得截面疲劳损伤最大点位置的夹角在90ʎ左右㊂(2)疲劳损伤最大值预报两种方法计算得到的立管系统在触地区域的疲劳损伤最大值如图9所示㊂两种方法计算所得的疲劳损伤结果的数量级保持一致,均为10-3,但在数值上两种方法所得结果差异明显,频域方法所得结果与时域方法相比对疲劳损伤进行了放大,且在生产立管(P R 4)上放大最为明显㊂第2期黄俊,等:深水钢悬链线立管波致疲劳预报时频方法对比㊃117 ㊃图8 立管波致疲劳损伤风险位置预报F i g .8 L o c a t i o n p r e d i c t i o n o f r i s e r w a v e -i n d u c e d f a t i g u e d a m a ge r i sk 图9 立管疲劳损伤最大值F i g .9 M a x i m u m o f r i s e r f a t i g u e d a m a ge (3)计算时间对比使用时域方法分别对各个工况进行了1小时的模拟计算,记录每个工况仿真所需时间㊂如图10所图10 仿真耗时对比F i g .10 C o m pa r i s o n o f s i m u l a t i o n t i m e 示,时域方法对一个工况进行1小时仿真所需时间约为4.5小时,而在相同计算配置下,频域方法对每个工况进行计算所需时间约为35秒,计算耗时差距巨大㊂4 结 论对中国南海 深海一号 深水半潜式生产储油平台的立管系统的波致疲劳损伤进行了分析,得到的结论如下:(1)频域方法与时域方法在计算时间消耗上差异巨大,在同等计算配置的情况下,时域动态仿真耗费时间约为频域方法的近千倍㊂(2)平台垂荡运动响应预报受到方法差异的影响,其中频域方法得到的平台垂荡运动响应幅值较大,并且随着海况等级增大差异愈发明显㊂(3)立管系统波致疲劳损伤预报主要关于疲劳损伤风险位置和疲劳损伤极值两个关键参数:①与时域方法相比,频域方法得到的立管波致疲劳损伤风险位置沿管长较为滞后,但仍在触地区域内,横截面内风险位置不同,夹角在90ʎ左右;②频域方法预报中对疲劳损伤极值进行了放大,但在数量级上与时域方法所得结果保持一致㊂目前普遍认为时域方法的分析精确度较高,从上述分析结果可知,在对立管波致疲劳的预报中频域方法的快速性优势明显,并且在验证校核等对结果精确度要求不高的过程中,采用频域方法进行分㊃118㊃海洋工程装备与技术第10卷析可以快速得到校核结果㊂在设计过程中也可通过将两种方法结合的方式进行快速设计或指标检测㊂参考文献[1]M ršn i k M,S l a v i c㊅J,B o l t eža r M.F r e q u e n c y-d o m a i n M e t h o d sf o r a V i b r a t i o n-f a t ig u e-l i f e E s t i m a t i o n A p p l i c a t i o n t o R e a l D a t a[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F a t i g u e,2013,47:817.[2]M O R O O K A C K,C O E L H O F M,S H I G U E M O T O D A.D y n a m i c B e h a v i o r o f a T o p T e n s i o n e d R i s e r i n F r e q u e n c y a n dT i m e D o m a i n[C].P r o c e e d i n g s o f t h e S i x t e e n t h(2006) I n t e r n a t i o n a l O f f s h o r e a n d P o l a r E n g i n e e r i n g C o n f e r e n c e.S a nF r a n c i s c o,2006:3136.[3]杨和振,李华军.深海钢悬链立管时域疲劳寿命预估研究[J].振动与冲击,2010,29(03):2225+201.D O I:10.13465/j.c n k i.j v s.2010.03.001.[4]程侃,赵礼辉,刘斌,等.频域疲劳寿命预测方法对比与分析[J].农业装备与车辆工程,2018,56(9):15.[5]白兴兰,黄维平.深水钢悬链线立管非线性有限元静力分析[J].工程力学,2011,28(4):208213.[6]S I L V A D A N T A S C M,d e S I Q U E I R A M Q,E L L W A N G E RG B,e t a l.A f r e q u e n c y D o m a i n A p p r o a c h f o r R a n d o m F a t i g u eA n a l y s i s o f S t e e l C a t e n a r y R i s e r s a tB r a z i l s D e e p W a t e r[C].O M A E51104,2004.[7]周巍伟,曹静,沙勇,陈严飞.深水钢悬链线式输油立管波致疲劳损伤频域分析[J].中国海上油气,2011,23(5):349353.[8]A T S M s t a n d a r d E104985.S t a n d a r d p r a c t i c e s f o r c y c l ec o u n t i n g i n f a t i g u e a n a l y s i s[S].W e s t C o n s h o h o c k e n,P A:A S T M I n t e r n a t i o n a l,1999.[9]贾旭,贾鲁生,黄俊,等. 深海一号 能源站钢悬链立管总体方案研究[J].中国海上油气,2021,33(5):165174.。
考虑内流作用的钢悬链线立管动力特性分析刘震;张永波;牛建杰;郭海燕【期刊名称】《中国海洋大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(048)007【摘要】Effect of internal flow is taken into account in the dynamic characteristics analysis of steel catenary riser in this paper.Slender rods model,which describes the behavior of long thin bar in terms of the position of the center line of the bar and can solve the issue of geometrical nonlinearity,is used to establish the motion equation of steel catenary riser.And finite element method is used to solve the motionequation.Based on Matlab,a calculation program is developed.The calculation program is used to analyze the dynamic characteristic of steel catenary riser and the calculation results are consistent with the results calculated by commercial software.Internal flow velocity,top tension and internal top pressure are taken into consideration and the results indicate that internal flow velocity,top tension and internal top pressure influence the dynamic characteristics of steel catenary riser.With the increase of internal flow velocity,natural frequencies of riser decrease,and the reversal points of high modes move to the bottom of riser.With the increase of mode order,this feature becomes more and more obvious.Although the internal flow velocity won't be too high in actual marine engineering,while with the increase of internal flow velocity,natural frequencies of steelcatenary riser may decrease into lock-in domains,which can lead to dynamic amplification of steel catenary riser.With the increase of top tension,natural frequencies of steel catenary riser increase,and the reversal points of high modes move to the top of riser.The reason is that effective tension of each steel carenary riser element increases with the increase of top tension.Steel catenary riser’ s stiff ness increases and natural frequencies of steel catenary riser increase eventually.Natural frequencies of riser decrease with the increase of internal top pressure.The reason is that steel catenary riser's stiffness decreases with the increase of internal top pressure.And natural frequencies of steel catenary riser decrease with the riser's stiffness decrease.Steel catenary riser can reach several kilometers long in deepwater pared to shallow water,deepwater is easier to stimulate steel catenary riser highorder modes.As a result,the effect of internal flow velocity,top tension and internal top pressure to steel catenary riser's natural frequencies should be paid much attention to.%考虑内流的作用,研究钢悬链线立管动力特性.采用细长柔性杆模型,建立内流作用下钢悬链线立管运动方程,运用有限元法进行离散,通过求解动力特性方程得到立管的固有频率和模态,基于Matlab平台编写相应计算程序,探讨内流流速、顶张力和顶端压强对钢悬链线立管动力特性的影响.结果表明:随着内流流速的增加,立管的固有频率降低,高阶模态的反转点向立管底端移动;随着顶张力的增加,立管的固有频率增加,高阶模态的反转点向立管顶部移动;随着管内顶端压强的增加,立管的固有频率降低.【总页数】6页(P130-135)【作者】刘震;张永波;牛建杰;郭海燕【作者单位】中国海洋大学工程学院,山东青岛266100;青岛国家海洋科学研究中心,山东青岛266071;中国海洋大学工程学院,山东青岛266100;中国海洋大学工程学院,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】P751【相关文献】1.管土作用下的钢悬链线立管动力响应及其疲劳分析 [J], 李敢;陈谦;黄小平2.钢悬链线立管触地点区域管土动力相互作用分析 [J], 毛海英;郭海燕;赵伟3.深海卧管-悬链线立管系统管内流动特性分析 [J], 秦国庆; 王卫强; 范玉斌; 庄正刚; 余睿哲4.振荡剪切流作用下钢悬链线立管非线性动力分析 [J], 张博强;郭海燕;刘震5.考虑内流和海床作用的柔性立管和钢悬链线立管非线性分析(英文) [J], 陈海飞;徐思朋;郭海燕因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
深吃水半潜式平台钢悬链式立管的强度性能梁宁;黄维平;周阳;曹淑刚;柳振海【摘要】在传统半潜式平台的基础上设计深吃水半潜式平台,以达到更好的运动性能.采用三维势流理论,运用SESAM软件对平台进行水动力性能分析;运用HydroD 模块对平台进行频域分析得到幅值响应函数等频域参数;运用DeepC模块对平台进行时域耦合分析,得到平台加系泊系统后的时域响应.基于深吃水半潜式平台对配套钢悬链式立管进行强度性能研究,得到立管在各个工况下的最大等效应力及其沿管长的分布.研究表明:半潜式平台在近端偏移状态下,钢悬链式立管产生最大等效应力,立管上部和触地段区域是强度的薄弱环节,触地段区域是钢悬链式立管壁厚等参数的重要控制因素.为深吃水半潜式平台的研究提供参考.%In order to achieve reasonable motion performance,a deep draft semi-submersible platform is designed based on the traditional semi-submersible platform.Based on the three-dimensional potential flow theory,the theoretical analysis with numerical calculation is used to research the dynamic characteristics of the semi-submersible by SESAM.The platform's response amplitude operator and other parameters are calculated in frequency domain analysis by HydroD.Time domain coupling analysis is carried out on the platform by DeepC to get platform with mooring system's time domain response.The steel catenary riser's strength performance is researched based on the deep draft semi-submersible platform,the riser's maximum von Mises stress under various conditions and its distributions along the length are obtained.The results prove that the steel catenary riser is of the maximum equivalent stress when the semi-submersible platform is in the nearposition.The riser's upper position and touch down point area are the weak links of the strength.Touch down point area is the important control factors of the steel catenary riser's thickness and other parameters.The study provides a reference for the research of deep draft semi-submersible platform.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2017(032)002【总页数】9页(P60-68)【关键词】半潜式平台;钢悬链式立管;强度性能【作者】梁宁;黄维平;周阳;曹淑刚;柳振海【作者单位】中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州310014;中国海洋大学,山东青岛266100;中国海洋大学,山东青岛266100;国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012;中能电力科技开发有限公司,北京100034;中国海洋大学,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】P751在深海油气资源的开发中，钢悬链式立管作为输油立管主要应用于张力腿平台(Tension Leg Platform, TLP)、单柱式平台(SPAR)和部分半潜式平台中。
