波流联合作用下隔水管振动的有限元分析.docVIP

  波流联合作用下隔水管振动的有限元分析# 李妍，吴艳新，高德利* （中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249） 5 摘要：采用有限单元法进行了隔水管的动力分析。通过隔水管自振反应分析验证了动力分析 方法的正确性，获得了波流联合作用下隔水管的位移和应力状态，并分析了阻尼和张力比对 隔水管动态响应的影响，结果表明分别增大阻尼和张力比均会减小隔水管位移与应力。 关键词：海洋隔水管；有限单元法；动力分析；阻尼；张力比 中图分类号：TV36 TE952 10 FEM Analysis of Vibration of Riser under Wave and Current Loads Li Yan, Wu Yanxin, Gao Deli (College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249) 15 20 25 30 35 40 Abstract: Finite element method is applied to studying the dynamical response of riser. Responses of free vibration of riser demonstrate the correction of dynamical analysis method. The displacement and stress of riser under wave and current loads are presented. The influences of damping and tension ratio on responses of riser are studied. The results show that the displacement and stress decrease with increasing damping and tension ratio respectively. Keywords: marine riser; finite element method; dynamic analysis; damping; tension ration 0 引言 隔水管振动是导致隔水管毁坏的主要原因，因此进行隔水管的振动研究及其影响因素分 析是非常重要的。国外对隔水管的研究较早，Burke[1]最早建立了隔水管力学分析的数学模 型，对隔水管进行了时域规则波动态分析。Egeland[2]对深水半潜式钻井平台的隔水管的力学 问题进行了分析，采用了线性和非线性的方法，研究了隔水管在规则波和非规则波下的响应。 Simmonds[3]对隔水管动力学模型进行了求解，采用有限差分法模拟隔水管动力响应，与 API 提供的测试数据吻合较好。贾星兰等[4]通过对隔水管微元受力分析，对外界波浪载荷进行计 算，并得到了隔水管动态响应。文献[5]采用数值差分方法对隔水管的动力模型进行分析， 并考虑了外界波浪及流等载荷对隔水管的作用。文献[6]对海洋钻井隔水管系统建立了三维 模型进行了静力和动力分析研究。文献[7]研究了隔水管在波浪、海流及平台运动等作用下 的非线性动力响应，并对影响隔水管振动频率和弯矩的因素如钻井液密度、张力比、钻井船 偏移及动态运动等进行了分析。畅元江等[8]运用 ABAQUS 软件、考虑钻井船偏移及其长期 慢漂运动等影响因素对隔水管随机振动特性进行了时域非线性动态响应数值模拟分析。本文 通过有限元方法进行隔水管的动态分析，并研究了阻尼比和张力比对隔水管动态响应的影 响。 1 有限单元法求解隔水管动态方程 隔水管简化结构模型采用如下基本假设： (1)假设隔水管是各向同性、均质的、线弹性的材料； (2)隔水管可作为伯努利-欧拉梁进行力学分析，简化为弹性梁模型。 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（200804251010） 作者简介：李妍，（1978-），女，讲师，结构振动控制研究. E-mail: liyancup@cup.edu.cn -1- 隔水管振动微分基本方程为： Ma?? Cv?? Kd?? F  (1) 式中 M、C、K 分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，a、v、d 分别为加速度、速度 和位移矢量，F 为外荷载矢量。 45 50 有限单元法[9]的基本思想是：根据分析对象的结构特点，对其进行离散化，得到有限个 独立的单元，然后对每个单元进行单元分析，最后根据单元分析的结果对结构物进行整体分 析，求得结构物的某些参数。采用有限单元法（先处理法）求解隔水管动力微分方程的步骤 如下所示： (1) 划分单元； (