深海顶部张紧式立管涡激振动疲劳分析_罗超
深海顶部张紧式立管涡激振动疲劳分析
罗超1，唐琰林1，张雪粉1，易丛2
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海石油研究中心，北京 100027）
摘要：随着中国海洋石油天然气工业的发展，越来越多的油气资源在水深约500米的深水区被勘探和发现。无论用于处理的浮式装置采用什么类型，海洋立管始终是深水作业系统的关键部分，VIV疲劳分析是立管设计的重要内容之一。采用SHEAR7软件来进行深海立管中的顶部张紧式立管（TTR）的由剪切流引起的涡激振动疲劳分析，并通过计算得到不同cutoff 值下TTR的疲劳分析结果。
关键词：深海立管；涡激振动；顶部张紧式立管；疲劳分析
1 引言
随着中国石油天然气开发向深海发展，作为海底生产系统和浮式装置的关键连接，立管的研究尤其是适合中国海域的立管在位分析已是迫在眉睫。
海洋立管的涡激振动问题，早已受到重视，各国学者对海洋立管涡激振动作了大量的实验和数值模拟工作，建立的涡激振动模型如DNV模型[1]、LIC[2]模型、MARINTEK[3]模型、MIT-Triantafyllou[4]模型、MIT-Vandiver[5]模型、NTH[6]模型、UCL[7]模型等。在上述的涡激振动模型中，只有DNV模型是建立在流体动力学分析的基础上的，其它的模型一般是用一个流体升力系数来模拟流场对结构的作用，并通过实验来确定在不同条件下的流体升力系数。
海洋立管结构型式与其所依附的结构物型式密不可分，随着深水浮体的利用，相应地派生出钢悬链式立管（SCR）、顶部张紧式立管（TTR）、混式立管（HYBRID RISER）、挠性软管（FLEXIBLE RISER）等立管型式，由立管连接水面浮式装置和位于海床上的海底设备（如井口、管汇、总管等），实现生产功能。
TTR的VIV疲劳分析考虑两种典型的情况：1）long term fatigue；2）extreme fatigue。主要是用SHEAR7来评估深海立管中的顶部张紧式立管（TTR）的涡激振动疲劳分析，考虑的是长期疲劳,并且计算了不同cutoff取值下的TTR的VIV疲劳寿命。
2 涡激振动（VIV）
许多在风中和海中应用的管状结构都是处于强风或强流区域。当流流经管子时，如图1所示，由于结构的存在将会导致流的分离，从而形成小的漩涡和周期性的激发。由于周期性的漩涡脱落，就会有垂直于流方向的力施加给管道，从而导致管道的横向振动。把这称之为涡激振动[8]。
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d e r
图1 管道在流中的涡激振动
海洋立管是海洋平台或钻探船舶与海底井口间的主要连接件。海洋立管下端通过万向节与海底井口连接，其上端与平台或船舶底部的滑移节配合。海洋立管在位期间，内部一般有高压的油或气流过，外部承受海洋环境荷载、冲击荷载以及浮式装置运动等，受力复杂。立管所承受的海洋环境荷载主要有风、浪、流、冰和地震荷载，其中由风引起的波浪和海流是主要的荷载。当波浪和海流流经立管时，在一定的流速作者简介：罗超（1981-）男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，主要从事海洋工程结构与海底管道研究。
联系方式：luochao@https://www.360docs.net/doc/6513544926.html,
下，可在立管两侧交替地形成漩涡，漩涡脱落会对立管产生一个周期的可变力，使得管道发生涡激振动（VIV），管道的涡激振动反过来又对流场发生影响，使得漩涡增强，阻力增大。当漩涡脱落频率与立管自振频率接近时，漩涡的泻放将被结构的振动所控制，即发生频率锁定现象，将引起立管的强烈振动。当管内具有一定压力的石油或天然气流经挠曲的管道时，由于管道曲率的变化和管道的横向振动，流体发生加速，这些加速的力作用在管道上，引起管道更加复杂的耦联振动。
3 用SHEAR7分析TTR的VIV疲劳寿命
3.1 基本设计参数[8-9]
表1 TTR立管设计参数
功能采油数量8
结构型式双层管管径内管:219.1mm
外管:323.9mm
设计压力13.3MPa 设计温度 60℃
介质密度670~990kg/m3内腐蚀裕量内管:3mm
外管:0mm
外防腐层内管:无
外管:3层PP 材料内管X80
外管 P110
底部拉力 196.2（kN） TTR总长 1050（m）
注：设计水深： 1000 m
3.2 TTR计算模型
TTR模型长度为1 050米，均分为1 000个单元。内管外径为219.1毫米，壁厚为12.7毫米；外管外径为323.9毫米，壁厚为12.7毫米。按照质量一定转化为等效的单层管，以确定程序所需的内径。由于进行质量等效的转化，钢管的刚度将发生变化，使用者需将原双层管实际的转动惯量输入到程序中。立管的转动惯量为1.855E-04m4；立管在空气中的单位重为178.539 kg/m，其包括内外管的重量和内部流体的重量；立管的水下重为922.865 N/m。
3.3 S-N曲线与集中应力系数
根据设计基础，对TTR的S-N曲线与集中应力系数选取如表2。
立管的涡流激振疲劳分析基于DoE-E，应力集中系数取1.2。分析中不考虑耐久性限制与壁厚系数，考虑立管腐蚀裕量（3 mm）。
3.4 流速数据的选取
表2 S-N曲线参数
α
炭钢DoE-E 3.17E9 3
m: S-N曲线的方向负斜率，log: S-N曲线
在对数N轴上的截距。
图2 TTR选取流速数据
3.5 模态响应分析结果
图3 TTR 各阶模态频率 图4 TTR 各阶模态最大曲率
3.5.1 涡激振动分析
仅在涡激振动情况下进行疲劳分析。判断标准为：
21
FOS x D Life
Design SCR VIV LT ≥ 注：102=FOS
=VIV LT D 每年VIV 导致的疲劳破坏
通过比较cutoff 值为0.3情况下的192个流速剖面（考虑其发生概率）的疲劳分析结果和12个流速剖面（将每个流速等级的16个方向的总概率作为该流速剖面的发生概率）的疲劳分析结果发现，其最终的计算结果一致，这与TTR 的结构型式有关，所以对TTR 的VIV 疲劳分析可以根据流速等级来确定进行分析的流速剖面数量。 通过计算分析并经计算TTR 系数校核疲劳寿命得到TTR 疲劳寿命-X/L 曲线（见图5）。
图5 疲劳寿命-X/L曲线（cutoff-0.3，0.4，0.5，0.6，0.7）
4 结语
在使用期间，TTR的疲劳破坏是由波浪、VIV和安装所导致的。本论文仅考虑了VIV疲劳破坏。通过对TTR的涡激振动分析，得到以下结论：
1）对于选定的尺寸，底部20吨的张力可以满足TTR的设计要求。
2）抑制立管VIV损坏的方法有两种，分别是增大顶部张力系数和添加VIV抑制装置；其中最通用的两种VIV抑制装置是strakes 和fairings，一般效率约为80%~90%。
3）通过分析计算结果得到对于TTR，可以根据流速等级个数来确定用SHEAR7进行分析的流速剖面数量。
4）通过比较不同cutoff值情况下的计算结果，可以发现不同cutoff值相应于同一流速剖面的激励模态会有所不同，从而导致疲劳计算结果的不同。
5）通过比较不同cutoff值的疲劳寿命-X/L曲线可以发现对于不同的cutoff值，最小疲劳寿命的发生位置基本一致。且针对此计算实例，cutoff值取0.7比取0.3要保守。
6）当用SHEAR7来评估SCR的疲劳寿命时，要运用其它有限元软件建立其模型来进行模态响应分析得到各阶模态的固有频率、振型、坡度与曲率，从而用于涡激振动分析。在用其它有限元软件建立SCR 分析模型时须确保其单元划分形式与SHEAR7中一致，且建立模型的精确与否将会影响其提取的数据能否用于SHEAR7的程序分析。
参考文献：
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[9] User Guide for SHEAR7 Version 4.3, September 14, 2003.
高层建筑涡激共振的危险性
摘要：本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，针对矩形超高层建筑涡激振动的“锁定”状态，提出了两种改进的广义范德波尔振子模型，即igvpo-1和igvpo-2，前者适用于“锁定”风速范围内任一折算风速对应的位移响应幅值的预测，后者适用于“锁定”时最大位移响应幅值的预测。最后，结合气弹模型风洞试验测试数据，实现了对两模型中气动参数的拟合。 关键词：高层建筑；涡激共振；危险性 一、关于涡激共振 当风从非流线型的高层建筑结构构件吹过时，气流就从构件表面剥离，在尾流中产生交替的涡流。当涡流从高层建筑结构构件脱离的频率和建筑结构构件的固有频率一致时，就会发生涡激共振。涡激共振(vortex-excitedoscillation)是一种只在某一风速区域内发生的有限振幅振动，最大振幅对阻尼和断面形状有很大的信赖性，一般发生在比较胖的如圆形断面和宽高比b/d=3以下的矩形断面上，而高层建筑中多采用b/d＞3，因此，涡激共振不是一种危险性的发散振动，能通过增加阻尼或者安装适当的整流装置将振幅限制在可以接受的范围内。 二、高层建筑涡激共振锁定模型建立的基本假定 高层建筑受强风振动的影响，所表现出来的气动力极其复杂，这同时也与建筑几何外形、地理原因、风速和振动幅度等因素息息相关，并随着这些因素的变化自身也呈现出许多非线性特征。考虑到来流会在迎风面角点产生分离，导致高层建筑侧面风压长时间停滞在绕流场的尾流区，这就使得在研究建筑侧面风压合力的形成机理和作用机制时，需要考虑的因素极多。因此，我们在分析此类问题的时候，经常会按照普通情况下，认为高层建筑矩形截面横风向气动力是简单地由下面面部分线性组合而成： 第一部分：受到建筑流场与结构振动两者的相互作用，而形成的气动弹性力(motion induced force)，该作用力是建筑结构是为了改变气流流动，从而在建筑走位产生的附加气动力。 第二部分：高层建筑结构静止时，其受到横向气动力荷载作用，我们可以将之看做是是两个方向的横风向荷载的叠加，即来流中侧向紊流产生的荷载，与静止结构尾流中的旋涡脱落而产生的荷载。如果建筑结构处在涡振“锁定”状态，那么横风向结构振动与涡激力的影响作用将大幅度提升，这时候横风向的振动反应会远远超过顺风向，而相比与前面提到的气动弹性，横风向的气动力比小之又小，几乎可以完全忽略。 三、气弹模型风洞试验对加强高层建筑抗风稳定性的作用 针对高层建筑涡激共振“锁定”的特征，本文在经验非线性模型、vickery-basu模型以及广义范德波尔振子模型的基础上，建立了基于超高层建筑气弹模型风洞试验数据的两种改进的广义范德波尔振子模型，简写为igvpo-1和igvpo-2。使用这两种改进的广义范德波尔振子模型能够预测出高层建筑基本振型发生共振锁定时，锁定风速范围内任一风速下的涡振位移响应幅值和最大位移响应幅值，将这两种模型预测值与风洞试验测量值进行比较，结果表明本文提出的这两种理论模型均具有较高的精度。与此同时，笔者还根据高层建筑气弹模型风洞试验所得出的相关数据，对各式各类的斯克拉顿数结构涡激共振提出了预测“锁定风速范围”的计算公式，限于篇幅，此处不表。下图为高层建筑气弹试验模型。 高层建筑结构在风荷载作用下很容易发生静力失稳(扭转发散、横向屈曲)和动力失稳(颤振和驰振)以及风致限幅振动(抖振和涡激共振)。因此设计中除应对高层建筑的静力稳定性、颤振稳定性以及抖振响应作必须的理论分析，还应以模型风洞试验加以佐证。高层建筑的风
涡激振动方法的
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第9期0引言 结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义[1]。例如，涡 激振动可以引起热交换器管的振动；涡激振动还影响上升管道将石油 从海底运输到岸上的动力；涡激振动对于工程结构设计具有重要意 义，例如桥梁、大烟囱，还有船舶和陆地车辆的设计；并且涡激振动还 能引起海洋中的绳索结构的大幅度振动。关于涡激振动的众多问题中 的这几个事例是非常重要的。1研究涡激振动的目的 研究流体涡激振动的目的总的来说就是研究许多对于一般的流 激振荡和对于特殊的涡激振动的影响因素，并且通过物理和数值试 验，理论分析和物理的角度指导设计数据的获取。研究流体涡激振动 的最终目的是为了理解，预测和防止涡激振动（最好是没有阻力的情 况），一部分就像研究在工业中较为关注的流体-结构耦合一样通过 基础的直接数值模拟（DNS 谱方法），通过获得尽可能多的Navier- Stokes （N-S ）数据点（控制参数在期望范围内），还有一部分通过采用 雷诺时均Navier –Stokes 方程（RANS ）,大涡模拟（LES ）（用改进的亚格 子尺度模型），和他们的各种结合来研究。数值模拟方法是受到全新的 测量和流体的流动显示技术的指导和启发，主要是无干扰技术：数字 粒子图像测速技术(DPIV),激光多普勒测速技术(LDV)，TR-PIV ，压敏 涂料，智能材料和其他一些在未来几年一定会出现的手段。这些技术 与大规模的基准实验必定会增强对于采用非常大雷诺数的数值模拟 实验的指导作用[2]。2涡激振动的实验研究 从根本上说，有两种方法用来研究漩涡脱落引起的振动的影响。 第一种方法，通过分析作用在安装在水中或风洞中的圆柱的强迫振动 得到结果。第二种方法，漩涡脱落与物体振动之间的相互作用是通过 直接研究安装在弹性基础上的圆柱得到的，即自激振动。这个基座使 用可调弹簧与阻尼器做成的。事实上，第二种选择是试图直接研究涡 街脱落现象的方法。从另一方面说，第一种方法就是一种分析漩涡脱 落与结构体的振动之间的相互作用的间接方法。 以上两种方法中的每一种方法都有优点和缺点。采用安装在弹性 基底上的圆柱显示激励与系统响应之间的非线性作用的证据。然而， 需要测量和分析的参数的数目显著增加，意味着解释实验结果比较困 难。当采用强迫振动研究时，参数的数目较少，并且在涡激振动的实际 问题中观察到的一些特征可能不出现。可能出现的问题是：圆柱受迫 振动的实验在什么样的条件下相当于安装在弹性基底上的圆柱的实 验。另外，在什么条件下自由振荡的圆柱体可以发生受迫振动？要回答 上面的问题，就必须研究涉及流体振荡相互作用的能量转移的方向： 是从流体转移到物体上或是从物体转移到流体中。众所周知，能量的 转移和力与物体位移之间的相位角有关[3]（e.g.Morsea and Williamson,2006;Morsea,et al.,2008）。 流体流过圆柱后自由振动，这是被观察到的同步的或锁定的现 象。对于低流速的情况，涡旋脱落频率f vs 将与固定圆柱的振动频率f st 相同，即，f st 是由斯特劳哈尔数决定的。随着流速的增加，涡街脱落频率接近圆柱的振动频率f ex 。在这种水流状态下，涡街脱落频率不再随着斯特劳哈尔数变化。反而，涡街脱落频率变得逐渐“锁相放大”到圆柱的振动频率（即，f st ≈f ex ）。如果涡旋脱落频率接近圆柱通常情况下的固有频率f n ，在锁相放大状态下观测到大型物体运动（结构经历近共鸣振动）。 图1安装在弹簧上的圆柱体在空气中自由振动的响应和尾迹特征 同样众所周知的是结构振动接近共振区域时振幅变化和频率捕获可能存在滞后特性—不管是在低速的流体或者是高速流体[4]（Sarpkaya,1979）。滞后回线的两个分支分别与不同的涡旋脱落方式有联系，并且这些分支之间的转变与在0~180°的相位跃变有关系[5]（Krenk and Nielsen,1999）。图1所示为自由振动的小阻尼圆柱结构在锁相放大区域的经典响应[6]（Feng ，1968）。滞后效应在可以清晰地看出，当速度的减少超过一定的范围会获得较高的振幅。同样可以看出涡旋脱落频率和物体振动频率都衰减至接近圆柱体固有频率时发生锁相放大现象。直线St =0.198是代表常量斯特劳哈尔数的线。对于长的、刚性或柔性结构（例如，海洋立管），实际上结构在其整个长度上的频率趋向于多样化的现象更加的复杂。反过来,这产生了预测值最接近实际值的额外的和全方位的流体载荷。当不存在任何同步（锁相放大）时，引射流体载荷和结构以各自的频率振荡。3涡激振动的数值模拟 在相对小雷诺数情况下，流体绕过圆柱体经受（特别是Re=100-1000的时候）涡激振动的数字模型应用在流体力学的一些难题时非常的复杂，例如分离层的扰动，剪切层的不完全转变，基于尾迹附近动力学与涡旋结构动力学之间的尚无法解释的耦合机理的相干长度。对于雷诺数不超过大约15000至20000的情况，大多数实验研究与数值模拟之间的不同归功于向湍流转变的界线的平均位置没有达到足够的上游，即使涡激振动具有二自由度可能会促使不稳（下转第238页） 涡激振动研究方法的探讨 房建党 （上海海事大学物流工程学院，中国上海201306） 【摘要】涡激振动（VIV ）的内容是若干学科的综合，结合了流体力学、结构力学、振动、计算流体力学（CFD ）、声学、小波变化、复杂的解调分析、统计学和智能材料。结构的涡激振动（VIV ）在许多工程领域具有实际意义。涡激振动的研究方法主要有三种：实验研究，数值模拟和半经验公式，这儿我们主要研究涡激振动的实验研究方法和数值模拟。 【关键词】涡激振动；目的；实验研究；数值模拟 【Abstract 】The subject of VIVs is part of a number of disciplines,incorporating fluid mechanics,structural mechanics,vibrations,computational fluid dynamics (CFD),acoustics,wavelet transforms,complex demodulation analysis,statistics,and smart materials.Vortex-induced vibration (VIV)of structures is of practical interest to many fields of engineering.There are three methods on vortex -induced vibration ：Experimental,Numerical simulations,semi-empirical formula,and now we mainly introduce Experimental studies and Numerical simulations on vortex-induced vibration. 【Key words 】Vortex-induced vibration ；Objective ；Experimental ；Numerical simulations 作者简介：房建党（1988，9—），男，汉族，安徽砀山人，上海海事大学在读研究生，机械设计及理论专业，研究方向为港口与海洋装备工程 。 ○高校讲坛○216
圆柱横向涡激振动数值模拟研究
圆柱横向涡激振动数值模拟研究 摘要：以弹性支撑的刚性圆柱体为研究对象，基于k-w SST湍流模型对亚临界状态下的（Re=10000）圆柱横向涡激振动进行数值模拟，探讨单向流体对圆柱横向涡激振动的影响。研究圆柱横向涡激振动现象的产生以及边界层对涡激振动的影响，同时观察该工况下圆柱尾流中漩涡脱落形态，从而验证已有的相关理论。 关键词：涡激振动；边界层；漩涡脱落 1.引言 圆柱涡激振动（V ortex-Induced Vibration，简称VIV）存在于实际工程中的许多领域，特别是随着海洋石油的发展，海洋管道涡激振动而疲劳失效问题越来越受到人们的关注。过去的几十年，国内外许多专家学者对圆柱涡激振动进行了持续不断的研究，并取得了大量的研究成果。Williamson & Govardhan.R [1-6]等人在其综述中对近些年来圆柱涡激振动研究所取得的进展做了详细的阐述。 本文通过将圆柱简化成二维的质量阻尼弹簧系统，建立数值模型，研究单向流动下圆柱横向涡激振动的动力响应及圆柱尾流场中漩涡脱落的过程。基于CFX 软件，采用k-w SST湍流模型对亚临界状态下（Re=10000）圆柱横向涡激振动进行数值模拟研究。 2.控制方程 2.1 流体控制方程 粘性流动的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）连续性方程： 其中：是流体密度；t表示时间；V表示笛卡尔坐标系下的速度向量场；u、v、w分别表示流体在x、y、z方向上的速度；表示笛卡尔坐标系下的向量算子 2.2圆柱运动控制方程 将圆柱简化成质量阻尼弹性系统，只考虑圆柱在垂直与流向的升力作用下，系统的控制方程： 其中m为圆柱体的质量；c为结构系统的阻尼系数；k为弹簧的刚度系数；表示作用在圆柱上垂直于流向的力，即横向升力 3.计算模型设定 计算域的设定及网格模型如图3.1a所示，流体域的左侧为inlet边界，单向
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析.
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析 ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响 应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构 的随机疲劳寿命。本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS随机疲劳计算的具体过程。 １．随机疲劳现象普遍存在 在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是非常有必要的。 2．ANSYS随机振动分析功能介绍 ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面： 1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型； 2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻 尼比；
3.能够定义基础和节点PSD激励； 4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二 次谱值、空间关系和波传播关系等； 5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1σ 位移解，1σ速度解和1σ加速度解； 3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原 理 在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N 曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。 当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。但已经有许多种分析方法，这里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）： 应力区间 发生的时 间 -1σ ~+1σ68.3%的时间 -2σ ~+2σ27.1%的时间
两自由度圆柱体的涡激振动
www.elsevier.nl/locate/jnlabr/yjfls Journal of Fluids and Structures 17(2003)1035–1042 Special Brief Note Vortex-induced vibration of a cylinder with two degrees of freedom N.Jauvtis,C.H.K.Williamson* Mechanical and Aerospace Engineering,Cornell University,252Upson Hall,Ithaca,NY 14853,USA Received 2July 2002;accepted 21March 2003 Abstract In this work,we study the response of an elastically mounted cylinder,which is free to move in two degrees of freedom in a ?uid ?ow,and which has low mass and damping.There has been a great deal of work concerned with bodies restrained to move in the direction transverse to the free stream,but very few studies which comprise motion in both the transverse (Y )and in-line (X )directions.In such cases,it has generally been assumed that in-line response would dramatically change the character of the wake vortex dynamics as well as the transverse body response.We ?nd in the present work that,surprisingly,the freedom to move in two directions has very little effect on the transverse response,the modes of vibration,or the vortex wake dynamics (for a body of similar low mass ratio (relative density)in the range m n ?5225).For low values of normalised velocity (U n B 224)below the classical synchronisation regime for transverse response,we ?nd two in-line vibration modes,which are associated with symmetric and antisymmetric vortex wake modes,corresponding well with the modes discovered by Wooton et al.and by King for a ?exible cantilever.Coupled with a parallel effort by D.O.Rockwell’s group at Lehigh,these experiments form the ?rst such studies in which both the oscillating mass and the natural frequency are precisely the same in the X and Y directions.A principal conclusion from this investigation is that it demonstrates the validity,for bodies in two degrees of freedom,of employing the existing comprehensive results for bodies restrained to vibrate only in the transverse Y -direction,even down to low mass ratios of m n ?5: r 2003Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction Vortex-induced vibration of structures is of practical interest in many branches of engineering,for example in aeroelastic applications where the ?uid is air,yielding mass ratios m n of order 100(m n =mass of oscillating structure/displaced ?uid mass),or in hydroelastic applications in water,where m n is of order 1or 10.In most practical cases,cylindrical structures (such as riser tubes or heat exchangers;to name two examples)have a mass ratio,which is the same in both the streamwise (X )and transverse (Y )directions,and the same natural frequencies in these two directions.Contrasting with previous studies,we therefore focus on a design which ensures similar mass and similar frequencies in these two directions,and we introduce the resulting pendulum apparatus later in Section 2. The problem of vortex-induced vibration of cylinders free to respond transverse to the ?uid ?ow has been well studied,and several reviews discuss this problem [see Sarpkaya (1979);Bearman (1984);Naudascher and Rockwell (1993);Sumer and Fredsoe (1997),for example].The work of Feng (1968)at high mass ratios,m n ?320;demonstrates that the resonance of a body,when the oscillation frequency coincides with the vortex formation frequency,will occur over a regime of normalised velocity U n (where U n ?U =f N D ;f N ?natural frequency;D ?diameter)such that *Corresponding author. E-mail address:cw26@https://www.360docs.net/doc/6513544926.html, (C.H.K.Williamson). 0889-9746/03/$-see front matter r 2003Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/S0889-9746(03)00051-3
圆柱体涡激振动缩尺实验的相似关系研究
International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2014, 2, 35-45 Published Online September 2014 in Hans. https://www.360docs.net/doc/6513544926.html,/journal/ijfd https://www.360docs.net/doc/6513544926.html,/10.12677/ijfd.2014.23004 Study on the Similarity Relation of Model Test of Vortex-Induced Vibration on Circular Cylinders Yang Zhou*, Weiping Huang Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao Email: *edit502@https://www.360docs.net/doc/6513544926.html, Received: Aug. 10th, 2014; revised: Sep. 1st, 2014; accepted: Sep. 8th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.360docs.net/doc/6513544926.html,/licenses/by/4.0/ Abstract An experimental method, based on Reynolds number similarity, of the vortex-induced vibration (VIV) of circle cylinders is proposed to achieve VIV similarity between prototype and tested model. The VIV response of a circle cylinder is closely related to Reynolds number because the mode of vortex shedding highly depends on Re. However, the scaled model test of circle cylinder’s VIV is designed based on Froude number similarity but Reynolds number is not similar under the same fluid for both model and prototype. Therefore, the VIV response of tested model is not similar to that of the prototype because they have different vortex shedding modes. It means that the test results can not be used to predict the VIV response of the prototype according to the scaling law based on Froude number similarity. The prototype and three scaled models with different simi-larity schemes have been simulated using CFD to validate the method and at the same time, expe-riments are compared. The numerical results show that the similarity between prototype and model is satisfying by Reynolds number similarity, and it is in accordance with both Froude num-ber and Reynolds number similarity. But the similarity between prototype and model is not satis-fying by Froude number similarity. The experimental results show that the similarity of period of the vortex shedding is satisfying by Reynolds number similarity but not satisfying by Froude number similarity. As a result, Reynolds number similarity should be used in the scale model test instead of Froude number similarity when studying the characteristics of VIV. Keywords Vortex-Induced Vibration (Viv), Cylinder, Cfd, Reynolds Number Similarity, Froude Number Similarity *通讯作者。
桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究
桥梁结构涡激振动实例及减振措施比较研究 摘要：针对设计中不被重视的涡激共振问题，讨论了桥梁结构涡激振动及其响应分析的复杂性，介绍了几座国外大跨度桥梁结构的涡激振动问题，并比较分析了这些桥梁结构所采用的不同减振措施方案，推荐设计阶段首先选择气动控制措施来抑制桥梁涡激振动，而已建成的桥梁发生涡振病害则更适宜选用机械减振措施。abstract： in view of the ignored problem of vortex-induced resonance in design， this article analyzes vortex-induced vibration of bridge structure and the complexity of response analysis. the vortex-induced vibration problem of some foreign large span bridge structures is introduced and different vibration reducing measures of these bridges are analyzed and compared. it is recommended that pneumatic control measures be firstly used to control the vortex-induced vibration of bridges in design phase， while for vortex-induced vibration of built-up bridges， mechanical vibration reduction measures are more appropriate. 关键词：桥梁；涡激振动；振动控制；气动措施 key words： bridge；vortex-induced vibration；vibration control；pneumatic measures 中图分类号：u441 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）24-0100-03
弹塑性条件下的振动疲劳寿命估计
弹塑性条件下的振动疲劳寿命估计 孙炜袁杰红陈循 国防科技大学机电工程与自动化学院
弹塑性条件下的振动疲劳寿命估计The Vibration Fatigue Life Estimation under Elastic-plastic Condition 孙炜袁杰红陈循 (国防科技大学机电工程与自动化学院) 摘要：描述了当系统存在弹塑性应力应变时，工程中常用的几种疲劳寿命估计方法。这些方法都是在获得时域内的弹塑性应力应变基础上进行的。对于随机振动条件下载荷谱不易以时域形式表示的场合，这些方法难以实现。为了能在频域内估计疲劳寿命，本文提出了将塑性等效为阻尼来估计频域内的弹塑性应力应变的方法。再在此基础上利用MSC.Fatigue 中的振动疲劳模块估计疲劳寿命。 关键词：有限元阻尼系数弹塑性疲劳 Abstract: This paper summarizes some fatigue life estimation methods in engineering, when elastic-plastic stress-strain exists in the system. These methods go in time domain. And it is difficult to apply them when the load can’t be expressed in time domain easily. To estimate fatigue life in frequency domain, this paper brings forward a method that plasticity is equivalent to damp to compute the elastic-plastic stress-strain in frequency domain. Then the fatigue life can be estimated by present vibration fatigue module in MSC.Fatigue. Key words: FEM, damp coefficient, elastic-plastic, fatigue 1 引言 在作振动疲劳寿命估计时，如果仅仅是弹性动力学问题，其解决办法日臻完善。但对于弹塑性动力学问题，需要计算构件的弹塑性应力应变，然后再进行疲劳寿命估计。由于计算复杂，工程上还没有十分理想的方法。目前工程上常用的解决办法有： （1）利用弹塑性有限元进行分析 这是一种最为直接的办法，即利用弹塑性有限元进行分析。该方法要求动载荷以时域信号表示，再将载荷以增量形式逐步施加到有限元模型上，通过弹塑性有限元计算获得系统的弹塑性应力应变响应。由于是非线性计算，计算量太大，目前在工程上只能针对比较简单的模型进行计算。在得到该应力应变响应之后，即可选择合适的疲劳理论估计疲劳寿命。 （2）对弹性响应作近似修正 这是一种在工程上常用的简便方法。该方法是和裂纹萌生疲劳理论联合使用的。先在时域内计算构件的弹性应力应变响应，然后用近似修正法，如Neuber方法，将弹性响应修正
【CN110273970A】一种抑制涡激振动的方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910344900.0 (22)申请日 2019.04.26 (66)本国优先权数据 201910082062.4 2019.01.28 CN (71)申请人 钱日隆 地址 361000 福建省厦门市思明区体育路 115号306室 (72)发明人 钱日隆 (74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限 公司 44202 代理人 郭锦辉 陈艺琴 (51)Int.Cl. F16F 15/02(2006.01) (54)发明名称 一种抑制涡激振动的方法 (57)摘要 本发明公开了一种抑制涡激振动的方法，该 方法具体为对受强流体影响而产生涡激物体的 轮廓进行重新设置。这种根据物体结构形状对其 所受的气动力的影响，提供了一种抑制涡激振动 的方法。一般来说在楼房上，灯柱，风力发电支撑 柱，桥梁等生成涡流会严重影响结构的安全，而 只需要对其外形结构进行改造即可抑制其产生 的涡激振动，从而减少由涡激振动易造成物体结 构疲劳破坏以及安装在所述上的附属设施损坏 失效从而造成经济损失。权利要求书1页 说明书4页 附图7页CN 110273970 A 2019.09.24 C N 110273970 A
权 利 要 求 书1/1页CN 110273970 A 1.一种抑制涡激振动的方法，其特征在于，对受强流体影响而产生涡激物体的轮廓进行重新设置。 2.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角设置倒角。 3.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为方形。 4.根据权利要求2所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述倒角为弧形。 5.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为棱柱时，对其棱角进行钝化处理。 6.根据权利要求1所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述物体为长方体或立方体时，对其直角进行钝化处理。 7.根据权利要求3所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述方形倒角的大小占所述物体整体大小的比例越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 8.根据权利要求5所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述棱角设置为与两边相切的圆弧形。 9.根据权利要求6所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，所述钝化处理的方式是将所述直角设置为与两边相切的圆弧形。 10.根据权利要求8或9所述的抑制涡激振动的方法，其特征在于，当所述圆弧形所对应的半径越大时，产生涡激振动所需要强流体的力越大。 2
两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究
60卷第1期（总第229期）中国造船V ol.60 No.1 （Serial No. 229）2019年3月SHIPBUILDING OF CHINA Mar. 2019 文章编号：1000-4882（2019）01-0154-08 两种典型质量比圆柱体涡激振动特性研究 魏东泽1，白兴兰*2，黄维平1，常爽1 （1. 中国海洋大学工程学院，青岛266100； 2. 浙江海洋大学船舶与机电工程学院，舟山316000） 摘要 针对圆柱体在大长细比、多模态振动及高雷诺数情况下出现较大变形时的非线性效应，建立了双自由度耦合模型，并采用ANSYS/CFX软件对不同质量比的圆柱体两向涡激振动进行数值模拟，探讨了两种典型质量比圆 柱体在不同约化速度下的位移响应、两向频率比等特征规律。研究表明，低质量比圆柱体具有更大的锁定区范 围和更加剧烈的共振现象。同时，低质量比圆柱体在锁定区范围内呈现出更加复杂的双向耦合规律，而高质量 比圆柱体振动规律则相对稳定。探讨了质量比对“拍”、“相位开关”等涡激振动现象特征参数的影响，结果表明，“拍”现象的出现与质量比无直接关系，而质量比的大小可能对“相位开关”现象是否出现具有决定性影响。 关键词：质量比；涡激振动；位移响应；频率；质心轨迹 中图分类号：TE53文献标识码：A 0 引言 圆柱体涡激振动是一种极为复杂的物理现象，几十年来吸引了学术界和产业界的广泛关注，并取得了大量的研究成果[1-4]。随着深海油气开发的快速发展，海洋立管的长径比不断增大，涡激振动引发的疲劳破坏风险在大长径比立管破坏中更加显著，从而对立管涡激振动特性的研究提出了更高的要求。Feng[5]针对大质量比刚性圆柱体进行了试验模拟；Sanchis等[6]通过对低质量比圆柱体涡激振动的研究，提出质量比是影响圆柱体涡激振动的重要因素；F. J. Huera-Huarte等[7]对低质量比、低阻尼及大长细比柔性圆柱体进行了一系列拖曳实验，并在大雷诺数工况下观察到了圆柱体的五阶响应模态；Zhao等[8]采用数值模拟的办法初步探讨了质量比对圆柱体涡激振动的影响；Hirabayashi[9]应用格子玻尔兹曼方法对二维圆柱的涡激运动进行了数值分析,并证实了在低雷诺数下格子玻尔兹曼方法对涡激运动研究的适用性；陈正寿等[10]建立了双自由度模型，探讨了质量比对顺-横流向耦合程度的影响。 本文考虑了圆柱体在大长细比、多模态振动及高雷诺数情况下出现较大变形时的非线性效应，对质量比为3.24和7的两种圆柱体进行双自由度流固耦合数值模拟。选取质量比为3.24和7的圆柱体作为模拟对象的原因在于：当海洋立管内部充满原油时立管的质量比约为3.24；同时，过去对于圆柱体涡激振动的模拟方法常常将圆柱体简化为实心圆柱体，并假设圆柱体为实心钢结构，此时圆柱体的质量比约为7。这两种典型质量比的选择既能将本文所得模拟结果与经典模拟结果进行对比，从而验证本方法的准确性，又可以通过对实际输油立管的涡激振动监测获得实测数据加以验证，有利于研究成果的工程应用。 收稿日期：2018-04-09；修改稿收稿日期：2019-02-26
导管架平台圆柱绕流和涡激振动的机理
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/6513544926.html, 导管架平台圆柱绕流和涡激振动的机理 作者：王东许鉴冲齐璇 来源：《科学与财富》2016年第10期 摘要：目前世界能源形势日趋严峻，深海油气资源的开发受到了石油界广泛的关注。随 着海洋油气勘探开发的深水化发展，导管架平台由十几米水深发展到五百米水深，杆件的长度大大增加。在导管架的工作过程中，当一定速度的流体经过导管杆件时会发生绕流现象导致导管产生涡激振动，频繁的涡激振动将会导致导管架杆件疲劳破坏出现裂纹，极大地影响到了导管架结构的安全生产和使用寿命。本文阐述了圆柱绕流和涡激振动的机理，分析影响导管架平台杆件涡激振动的因素。 关键词：导管架绕流；涡激振动；疲劳寿命；抑制措施 1导管架平台及涡激振动内容概述 1.1世界上导管架平台使用情况 从上世纪40 年代起，海洋油气资源被大规模地开发，海洋石油的产量已经占世界石油总产量的35%以上。深海油气田的开发必然依托于大型平台，导管架平台是我国油气田开采所采用的主要平台形式。导管架自身具备足够的刚度，以确保平台结构的整体性，从而提高其抵御环境中各种荷载的能力。导管架是海洋平台中传递荷载的主要构件，其主体部分是一个由若干个竖向、横向及斜向钢管焊接而成的空间网状的钢质桁架结构，在我国，随着油气勘探向深水的发展，海洋工程建造的导管架平台由几米水深发展到二百米水深，杆件的长度达几十米，是典型的细长杆件。 1.2涡激振动（VIV）概述 从流体的角度来分析，任何非流线型物体，在一定的恒定流速下，都会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡。对于海洋工程上普遍采用的圆柱形断面结构物，这种交替发放的泻涡又会在柱体上生成顺流向及横流向周期性变化的脉动压力。如果此时柱体是弹性支撑的，或者柔性管体允许发生弹性变形，那么脉动流体力将引发柱体（管体）的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的泻涡发放形态。这种流体结构物相互作用的问题被称作“涡激振动”。 1.3涡激振动问题的研究进展 研究涡激振动的主要方法是物理模型试验，尤其在早期，计算机的性能无法满足数值模拟的要求时，模型试验是研究涡激振动现象的唯一途径。早期的试验成果主要是涡激振动相关的一些特殊现象，如圆柱体后方的涡旋脱落形态、“锁定”、“滞回”等现象。雷诺数、斯托哈尔数（Strouhal）、涡旋脱落频率、约化速度、质量比等影响涡激振动的重要参数也是研究的重
柱体涡激运动研究概述_渠基顺
摘要：基于国内外对柱体涡激运动的研究成果，主要对柱体涡激运动的研究现状进行了概括与总结，系统阐述了国内外对涡激运动的实验研究与ＣＦＤ数值模拟的研究现状，并对单柱体与多柱体涡激运动的研究成果进行分类，指出ＣＦＤ数值模拟的局限性与目前研究的不足以及未来的研究方向，提出了多柱体涡激运动研究的必要性。 关键词：涡激运动；多柱体；实验研究；数值模拟 １研究背景与意义 海洋中有着丰富的能源，据最新探测结果表明，海底石油资源储量达１３００亿ｔ。近年来人们将目光投向了海洋工程领域的深水石油和天然气。我国有着广阔的海岸线，石油资源十分丰富。据专家初步估计，南海石油储量在２３０亿到３００亿吨之间，约占我国石油总资源的三分之一，因此南海又被称为第二个波斯湾。目前石油的产量直接影响着世界经济的发展，所以人类设计和建造各种海洋平台来获取这种“黑色黄金”。 不管海洋石油开采采用何种平台结构形式，这些结构都有着一个共同的特点，即由很多柱体构成。例如，ＳＰＡＲ平台是单柱体结构，柱体的形状一般为圆柱形；半潜式平台一般有３个或４个立柱，立柱的截面形式一般以圆形和方形为主，立柱以一定的形式排列；张力腿平台的立柱形式和半潜式平台的立柱形式非常类似，其立柱的截面也是以圆形和方形为主，其中以四柱体阵列排布的比较多。对于海洋平台中的各种柱体结构而言，一个不能忽视的问题就是涡激运动。 海洋工程中的平台在强流作用下容易发生涡激运动这一特性决定了在设计和研究过程中必须对相关方面进行更加周密的考虑。对于海洋结构物来说，涡激运动会增加锚链和立管的疲劳破坏，缩短总体疲劳寿命，增加结构物的总阻尼。如果不考虑涡激运动现象的话，疲劳分析及锚链最大张力的结果都将 偏小，会导致过低估计锚链和立管的尺度［１］。 ２柱体涡激运动 ２．１涡激运动 由于流体有一定的粘性，当一定速度的来流流经柱状结构物时会在其两侧产生交替的漩涡。柱体后面的漩涡泄放时，会产生横向和流向的脉动压力。若柱体的支撑方式是弹性支撑，柱体所受到的横向和流向脉动压力则促使柱体进行周期性的往复运动。流向脉动力使柱体产生纵向的运动，即纵荡（ｓｕｒｇｅ）。横向脉动力使柱体产生横向的周期往复运动，即横荡（ｓｗａｙ）。由于实际过程中横荡运动显著，因此研究人员把研究重点放在了柱体的横荡运动上。在海洋工程领域中，可以根据柱体结构物的尺度和直径长度比，把周期运动分为涡激振动（ＶｏｒｔｅｘＩｎｄｕｃｅｄＶｉｂｒａｔｉｏｎ）和涡激运动（ＶｏｒｔｅｘＩｎ－ｄｕｃｅｄＭｏｔｉｏｎ）［２］。 柱体涡激运动研究一般分为两大类，即自激运动和受迫运动。自激运动指的是由尾涡脱落所产生的周期性的脉动力从系统内部驱动的柱体运动。受迫运动指的是以特定的振幅、确切的振动频率从系统外部驱动的柱体运动。前者的研究重点是一定范围的折减速度下振幅的变化规律，后者的研究则局限于发生锁定现象区域。研究涡激运动的最终目标是尽可能利用受迫运动的结果来预报自激运动的动力和运动特性，通过自激运动的结果预报受迫运 柱体涡激运动研究概述 渠基顺，管义锋 （江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏，镇江２１２００３） 作者简介：渠基顺，硕士研究生，研究方向为海洋结构物动力响应预报及水动力性能。管义锋，教授，研究方向为船舶与海洋结构物的设计制造。 １２