一种深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法

摘要

一种深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，涉及深水立管设计领域，其具体步骤为：步骤1，获取流场数据；步骤2，将流场数据代入立管振动方程式6和7中；步骤3，采用有限元方法求解式6、7，计算结果包括位移、速度、加速度和应力时程；步骤4，根据所述计算结果采用雨流计数法统计出一段时间内，某个幅值的应力循环次数ni，将ni代入疲劳损伤计算公式8中，计算出疲劳损伤。本发明所述的深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，采用实际的管中管模型，同时考虑顺流向振动和横流向振动，提高了应力计算的准确度。

主权项

1.一种深水顶张式立管涡激振动与疲劳分析的方法，其特征在于：其具体步骤为：步骤1，获取流场数据，所述流场数据包括：流速及其沿水深的变化和不同流速发生概率；步骤2，将流场数据代入立管振动方程式6$(m+m_a)\frac{{\partial }^{2}x(z,t)}{\partial t^2}+(c+c_a)\frac{\partial x(z,t)}{\partial t}$$+\mathrm{EI}\frac{{\partial }^{4}x(z,t)}{\partial z^4}-T\frac{{\partial }^{2}x(z,t)}{\partial z^2}=\frac{1}{2}{C}_D\mathrm{\rho D}{[U\left(z\right)-\stackrel{·}{x}(z,t)]}^2\cos {2\omega }_s^{\prime }t$和7$(m+m_a)\frac{{\partial }^{2}y(z,t)}{\partial t^2}+(c+c_a)\frac{\partial y(z,t)}{\partial t}$$+\mathrm{EI}\frac{{\partial }^{4}y(z,t)}{\partial z^4}-T\frac{{\partial }^{2}y(z,t)}{\partial z^2}=\frac{1}{2}{C}_L\mathrm{\rho D}{[U\left(z\right)-\stackrel{·}{x}(z,t)]}^2\cos {\omega }_s^{\prime }t$中；方程式6、7中，m和c分别为立管单位长度的质量和结构阻尼系数，m_a和c_a分别为附加质量系数和附加阻尼系数，x(z，t)和y(z，t)分别为顺流向和横流向振动响应函数，t为时间，z为立管轴向坐标，EI和T分别为立管截面抗弯刚度和有效张力，C_D和C_L分别为拖曳力系数和升力系数，D为立管外径，U(z)为流速，为立管顺流向振动速度，表示考虑流固耦合的涡旋泄放频率，步骤3，采用有限元方法求解式6、7，计算结果包括位移、速度、加速度和应力时程；步骤4，根据所述计算结果采用雨流计数法统计出一段时间内，某个幅值的应力循环次数n_i，将n_i代入疲劳损伤计算公式8$D=\underset{i}{\Sigma }\frac{n_i}{N_i}$中，计算出疲劳损伤，公式8中，N_i为第i个应力循环幅值对应的材料疲劳破坏的循环次数，n_i为某个幅值的应力循环次数。