文档介绍：! 32 ! 任大朋等
一种基于 A N SY S 和 FL U EN T 的海洋立管的涡激响应分析方法
2007 年 8 月
文章编号: 1001- 4500( 2007) 04- 0032- 05
一种基于 AN SYS 和 FLU ENT 的海洋立管
的涡激响应分析方法
任大朋, 黄
一, 刘
刚
( 大连理工大学, 大连 116023)

摘
要: 目前提出了一种包括 CFD 流场分析和结构有限元分析的迭代方法用于模拟海洋
立管的涡激振动。在迭代过程中, 依次对流场和立管进行分析。在分析过程中把直接导致涡激
振动的水动力载荷由流场传递到立管, 该水动力载荷包括周期性的升力和阻力。然后把立管的
振动定义为一个函数, 用来描述下一步计算中流场中立管边界的运动。计算过程中, 采用 F LU
EN T ( 6. 1. 22 版本) 分析流场和 A NSY S ( 8. 1 版本) 计算立管的涡激响应。

关键词: 立管; 涡激振动; 算法

中图分类号: T P 399
文献标识码: A

当波浪和海流流经立管时, 在一定的流速条件下, 在立管两侧交替形成一对固定对称的旋涡, 该旋涡引
起的周期性阻力可使圆柱体在来流方向发生振动, 即所谓线内振动或纵向振动; 随着流速的增大, 在立管两
侧交替形成强烈的旋涡, 旋涡脱落会对立管产生一个周期性的可变力, 使得立管在与流向垂直的方向上发生
横向振动, 又称为垂向振动, 与此同时, 旋涡的产生和泄放, 还会对柱体产生顺流方向的曳力, 也是周期性的
力, 但它并不改变方向, 只是周期性的增减而已, 这会引起立管的纵向振动。结构的振动反过来又对流场产
生影响, 使旋涡增强, 阻力增加, 在一般情况下, 纵向振动比横向振动幅值约小一个数量级, 频率约是其两倍。
近年来的大量试验和研究表明, 立管的横向振动和纵向振动都对整个立管系统的疲劳破坏有不可忽略
的贡献。对于近海勘探和开采的深水立管系统, 由涡激振动导致的应力是其中一个重要的疲劳载荷。它对
深水立管系统的影响主要有:
由于扩大拖曳而增大变形; 由于涡激振动引起的动力应力而导致结构疲
劳损伤。涡激振动分析结果可用于评定立管的强度和疲劳积累。因此, 研究深水立管的涡激振动, 是深水立
管的疲劳、断裂及可靠性评估研究中的重要部分。
1
涡激响应的数学模型及其分析

为了求解水动力载荷, 以及由此引起的立管响应, 可以建立如下的数学模型加以分析, 通过在时间域内
的积分方法求解振动方程。在动力响应求解过程中, 单元的刚度矩阵要通过静力分析获得。由于立管属于
细长构件, 本文采用了集中质量矩阵的形式分析立管在总体坐标系下的质量矩阵和阻尼矩阵。
1. 1
立管的振动模型
在响应分析过程中, 要注意立管的响应可分解为两个方向, 即顺流向的纵向振动和垂直于流向且平行于
水平面的横向振动。
对立管进行静力分析, 可以获得圆柱体变形后的形状, 以及其刚度矩阵。动力分析要建立在静力分析所
得到的形变的基础上。变形后的示意图如图 1 所示, 其中, x 轴代表海流流速的方向。

经过推导, 对于 2 维分析而言, 立管单元的刚度矩阵具有如下形