防振锤对深水导管架圆管风致涡激振动抑制研究

研究了阻尼防振锤对深水导管架圆管风致涡激振动的抑制。建立了防振锤动力学模型,分析了防振锤的动力学特性;将在建深水导管架圆管简化为固支梁,建立了结构有限元模型,通过瞬态分析计算了圆管的振动幅值;在圆管中部添加防振锤,分析了防振锤对圆管振动的抑制效果;进行了现场测试,对比了数值模拟和实际测试管道的振动响应。研究表明,文中设计的防振锤可以有效地抑制圆管的涡激共振;数值模拟结果与测试结果非常接近,验证了数值分析方法的有效性。     

在建导管架平台圆管风致涡激振动及减振研究

研究了大型导管架平台卧式建造时出现单边约束圆管的风致涡激振动问题。将建造过程中单边约束的导管架圆管简化成悬臂梁模型,采用van der Pol尾流振子模型模拟圆管受到的流体力,建立了圆管风致涡激振动动力学方程。使用伽辽金方法对建立的运动方程进行求解,数值分析了圆管在特定约化风速下的涡激振动特性。在圆管上附加非线性能量阱(NES)作为被动减振装置对圆管进行减振,并采用粒子群优化算法对NES的非线性刚度和阻尼参数进行了优化。结果表明,在约化速度为4.8时,得到的NES优化的非线性刚度和阻尼参数组合可以有效减小悬臂梁自由端风致涡激振动位移。本研究说明采用NES和粒子群优化算法可以有效减小圆管的风致涡激振动,为导管架安全建造提供一定的参考。     

抗冰导管架平台冰激疲劳寿命估计

基于安全寿命设计理论,论述了抗冰平台冰激疲劳寿命估计的方法,给出了谱分析和时间域分析方法的内容和流程,其中疲劳冰荷载和冰疲劳环境模型是冰激疲劳估计的两个关键问题。基于渤海冰情和冰荷载连续多年现场观测数据,初步建立了渤海JZ20-2海域海冰疲劳环境模型和锥体结构冰力谱,并利用谱分析方法,对新建的JZ20-2NW平台进行了详细冰激疲劳估计。此方法对抗冰平台的安全评估与动力分析具有一定的借鉴意义。     

海中输流立管涡激振动试验研究及疲劳寿命分析

为研究海洋立管涡激振动响应并预测其疲劳寿命,在中国海洋大学物理海洋实验室大型风-浪-流水槽进行海洋立管涡激振动模型试验.考虑管内流体的流动,运用相似理论将实际海洋立管缩放为试验模型,施加不同流速的外流,测得立管在涡旋脱落时顺流向及横向振动的应变时程曲线,根据实测结果,采用Miner理论对立管进行疲劳寿命分析.结果表明:立管横向振动比顺流向振动强烈,大约高一个数量级;随骀着外流流速的增加,管道横向及顺流向振动明显增加,立管的疲劳寿命降低;立管中部及端部振动比较强烈,疲劳寿命较其它位置处低,容易发生疲劳破坏.     

深海顶张紧式立管涡激振动疲劳可靠性研究

以深海顶端张紧式立管为研究对象,基于圆柱体受迫振荡实验数据和能量平衡原理预报立管涡激振动响应及其诱发的疲劳损伤度,各主要参数随机化,应用响应面法建立了涡激振动疲劳安全系数与极限状态方程关系,研究了疲劳安全系数对结构可靠性的影响,并分析了各随机变量的灵敏度。研究结果表明:1)随着疲劳安全系数的增大,结构失效概率逐渐减小,且失效概率的减小幅度随疲劳安全系数的增加而趋缓。疲劳安全系数SF无需超过20。2)增加疲劳安全系数SF可降低疲劳载荷不确定量B、S-N曲线参数A、顶张力、流速、外径和壁厚等立管及环境随机变量对结构涡激振动疲劳损伤可靠性的影响。3)立管各参数中,流速、外径和壁厚均值越大,立管结构安全度越低,顶张力对结构影响相反;各参数的标准差越大,结构可靠度越低。均值灵敏度由大到小依次为顶张力、流速、外径和壁厚,标准差灵敏度由大到小依次为流速、张力、外径和壁厚。4)壁厚对深海顶张紧式立管涡激振动所致疲劳损伤影响很小,可忽略其影响。研究成果可为深海顶张紧式立管涡激振动疲劳安全系数的选取提供参考。     

悬跨海底电缆涡激振动特性及疲劳损伤分析

悬跨海底电缆作为细长柔性结构,在静力平衡状态下具有一定的垂度,在水流作用下的涡激振动特性与海底管线和海洋立管等结构也有很大的不同,其振动模态受垂跨比影响很大。通过物理模型试验开展了不同垂跨比下悬跨海缆的涡激振动和疲劳损伤特性研究。试验模型按照水弹性相似准则设计,试验中测量了不同流速下海缆模型产生涡激振动时的应变历时数据,采用模态分析法获得了模型涡激振动时的振动模态和振幅。分析了不同流速下海缆模型的振动模态、应变和疲劳损伤的变化和分布特征。试验结果表明：垂跨比显著影响了海缆的涡激振动模态和应变幅值大小。在本试验流速范围内,对一定长度的悬跨海缆模型,当垂跨比较大时,随着流速的增大,模型涡激振动的主响应振动依次出现反对称1阶和对称1阶模态;当垂跨比较小时,模型涡激振动的主响应模态依次出现反对称1阶和对称2阶模态。当涡激振动主响应模态为反对称1阶时,疲劳损伤最大值达到0. 1~0.7。     

内流对海底管线涡致振动与疲劳寿命的影响

在复杂的海洋环境条件下，管道的动力学特性受到内外部流体的作用而呈现出新的特点。本文通过对处在海底平稳流动作用下的悬跨管道的涡致振动进行分析，特别地考虑到管道内部流动的作用，给出了内流速度对管道响应幅度的影响，进而指出其对管道疲劳的意义。     

陡波形立管涡激振动疲劳损伤参数敏感性分析

基于柔性杆理论和尾流振子模型计算陡波形立管的涡激振动响应;综合使用S-N曲线法、雨流计数法、Palmgren-Miner线性累积疲劳理论对立管涡激振动导致的疲劳损伤进行计算分析.并以MATLAB为平台编写相应计算程序,将本文计算得到的静力分析结果、固有频率和疲劳损伤分别与专业海工计算软件O rcaFlex和已发表文献进...     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

分离盘控制圆柱涡激振动的数值模拟研究

圆柱涡激振动问题一直以来备受关注,分离盘作为涡激振动抑制装置得到广泛研究。分离盘长度L与圆柱直径D之比L/D是影响抑制效果的主要因素。运用有限体积法结合RANS方程与一定的湍流模式离散和求解流场,通过编写自定义程序,使用动网格模拟结构物的运动带来的流域边界的变化,针对弹性支撑的圆柱及附加长度为0.5 D的分离盘模型,在约化速度Ur为2.5~13的情况下,对涡激振动及其抑制进行研究。结果表明:分离盘可以抑制甚至消除圆柱涡激振动,99%以上的振幅被抑制;锁定区始点被推后,锁定区变窄;附加分离盘的圆柱阻力和升力被抑制;其斯特鲁哈数(St)稍高于单圆柱St但差别不大。     

Inverse vibration technique for structural health monitoring of offshore jacket platforms

In this paper a new approach is introduced for structural health monitoring of offshore jacket platforms. The procedure uses the measured ambient vibration responses and the corresponding readable natural frequencies and mode shapes of the structural system. Since offshore platforms are composed of heavy topsides supported by jacket structures, participation of the first mode is dominant in each direction in the response of the structure under field excitations. Moreover, ambient vibrations such as wave loads and boat impacts only excite the first modes of the structure. Therefore, it is difficult to find higher modes and the pertinent frequencies by use of accelerometers data. The introduced innovative method in this research uses the first few fundamental frequencies and mode shapes of the structure. The algorithm employs the inverse vibration technique to develop a simple two and three dimensional reference model for monitoring health of the structure. To show the efficiency of the proposed procedure, a case study is carried out on the models of a jacket-type platform in the Persian Gulf, namely SPD2. Finally, an uncertainty analysis is performed, due to the existence of noises and uncertainties in input data collected by accelerometers. Results indicate that the proposed method has the ability to detect the induced damages by a high level of accuracy considering probable sources of error.     

Wave-induced vibration control of offshore jacket platforms through SMA dampers

Since permanent wave-induced vibrations of offshore jacket platforms reduce the service life of the jacket structure and deck equipment and increase the fatigue failure of the welded connections, this research has used SMA (shape memory alloy) dampers to control the jacket platform oscillations. Superelasticity, high durability, and energy dissipation capability make SMA elements good nominees for the design of vibration control devices. In this research, to model the force-displacement hysteretic behavior of SMA elements their idealized multi-linear constitutive model has been implemented and the time history responses of vibration equations have been evaluated by direct integration method. To analyze the SMA damper effects on the vibration suppression of the jacket platforms, a 90 (m) high jacket located 80 (m) deep in water has been selected as a case study. Numerical results have shown that optimized SMA dampers with constant-geometry SMA bars will improve the dynamic behavior of the jacket platform under the action of an extreme regular wave. However, under the action of two irregular waves, SMA dampers with varying-geometry SMA bars will cause significant reduction in the dynamic responses of the jacket platform. The power spectral density function of the deck displacements have shown that the previously mentioned SMA dampers avoid resonance by shifting the natural frequencies of the jacket structure away from the excitation frequencies.     

基于实测的导管架海洋平台振动对人员安全评价

目前我国的海洋工程结构中,导管架式海洋平台占有很大比重,动荷载作用下导管架式海洋平台的振动问题日益突出。随着石油开发向深海进军,平台结构柔性更大,振动问题更为显著,可能对结构、设备及人员造成一定的安全隐患。基于现场监测获得的导管架平台振动响应,结合相关规范给出振动对人体的影响,提出人员感受评价流程。最后,以渤海、南海海域的导管架平台为例,基于现场监测,分析了结构的振动特性及作业人员在相应振动环境下的感受。此方法对导管架平台上部作业人员的工作与安全保障提供了科学依据。     

抗冰导管架平台动力特性分析

目前的抗冰导管架平台结构设计主要是考虑极限冰力引起的破坏,尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了更好研究冰荷载、冰激振动机理以及提出合理的概念设计,冰荷载下抗冰导管架结构的动力特性分析是十分必要的。基于现场冰与导管架结构相互作用的多年观测以及数值模拟研究,分析渤海辽东湾典型导管架结构在交变冰力作用下的动力特性,提出了适于冰荷载研究与抗冰导管架结构概念设计、分析的简化力学模型,解释柔性抗冰导管架结构动力效应显著的原因。     

极端海洋环境对海洋平台疲劳寿命的影响

基于渤海和南海的海洋平台设计环境条件,分析了近年来我国近海极端海洋环境条件的发生规律及其对海洋平台疲劳设计条件的冲击。采用Miner’s线性累积疲劳损伤准则和疲劳可靠性理论,研究了极端海况引起的疲劳损伤对海洋平台疲劳寿命的影响,提出了考虑极端海洋环境条件的海洋平台疲劳设计方法。研究表明,由于近年来全球气候变换带来的极端气象条件频发,导致海洋工程结构经历传统意义上的多年一遇海洋环境条件的概率大大增加,使得现行的海洋平台疲劳设计条件偏离了实际的海洋环境条件。数值算例表明,极端海况引起的疲劳损伤在总的疲劳损伤的比例大大增加,甚至成为疲劳损伤的主要部分。因此,这些极端海况引起的疲劳损伤对结构疲劳寿命的影响不容忽略,考虑极端海洋环境条件的海洋平台疲劳设计符合近年来的灾害性海况频发的现状。     

深水半潜式平台结构关键节点疲劳破坏机理试验研究

深水半潜式平台结构在深海环境荷载及作业动荷载的作用下容易产生疲劳损伤累积,加速疲劳裂纹扩展,导致结构发生疲劳破坏。对深水半潜式平台横撑部位的两类关键节点进行了疲劳试验研究,分析了关键节点的疲劳破坏现象、疲劳破坏过程以及疲劳裂纹扩展规律。试验结果表明:应用规范给出的裂纹扩展模型和参数估算关键节点的疲劳寿命低于试验所得的疲劳寿命,说明应用规范给出的裂纹扩展模型和参数估算节点的疲劳寿命比较安全;根据疲劳试验结果建立的关键节点的S-N曲线参数与DNV规范给出的较为吻合;关键节点焊趾处的ε-N关系曲线可以反映出关键节点疲劳破坏的三个阶段破坏规律。研究结果为有效地预测平台结构关键节点的疲劳损伤程度,及时进行维修加固延长结构的使用寿命提供参考。     

冰激直立腿海洋平台疲劳寿命分析

由于渤海特殊环境条件与油藏分布决定了该海域导管架油气平台属于典型的柔性抗冰结构。多年现场观测发现,该类结构存在显著的冰激振动现象。冰振不仅能激起较大的甲板加速度响应,还会引起明显的导管架管节点交变应力。在结构设计与安全保障中进行疲劳分析及寿命估计是必要的。对于直立腿抗冰结构,精确的冰激疲劳寿命计算方法还不成熟。基于多年的现场监测,首先分析了冰与直立腿抗冰结构相互作用过程;其次,提出了冰激直立腿平台的疲劳寿命分析流程;最后,选取渤海某典型直立腿平台,利用ANSYS数值模拟,对比了稳态冰力和随机冰力下结构的疲劳损伤,进而计算出疲劳寿命。本研究为寒区柔性结构抗冰设计与安全保障提供了理论基础。