文档介绍：第 22 卷第 2 期海洋技术 Vo l. 22, No. 2

2003 年 6 月 OCEAN TECHNOLOGY June, 2003
基于非线性理论的海底管跨涡激共振可靠性研究
刘立名, 余建星, 王磊
( 天津大学建工学院, 天津 300072)
摘要: 管跨的涡激振动是引发管跨发生共振失效和疲劳失效的主要因素之一, 也是对管跨进行可靠性设计、可
靠性评估工作所要解决的主要问题。针对由涡激振动引发的海底管跨共振失效和疲劳失效两种主要失效形式, 基
于非线性动力学理论、随机过程理论和可靠性分析理论, 建立了更为符合海底管线实际工况的共振失效和疲劳失
效的可靠性分析方法。
关键词: 管跨; 涡激振动; 倍频共振; 亚频共振
中图分类号: P 75 文献标识码: A 文章编号: 1003-2029 ( 2003) 02-0023-05
管跨是指出现在海底管线上的, 与海床表面不振动的工况而发生材料的疲劳破坏。文中建立了管
直接接触的悬空段。在海底管线上出现管跨的原因线的水平方向非线性随机振动方程, 利用谱分析解
可能是各种各样的。在铺设过程中, 由于海床的凹法, 由方程的输入谱推得相应的输出谱, 进而确定
凸不平, 或后来因海流和海浪对海床的冲蚀作用, 或响应随机过程的概率分布, 最后结合可靠性分析理
由于管线的变形等原因, 都可能出现管跨。论确定管线的疲劳失效概率。
管跨的出现改变了海底管线在管跨段所承受的
载荷形式和应力状态。伴随着海水流经管跨时可能 1 海管管跨涡激振动可靠性分析与共
产生的周期性的涡旋发放, 管跨将产生周期性的振振长度预测
动, 即涡激振动。管跨的涡激振动是引发管跨段发
生共振失效和疲劳失效的主要因素之一, 也是对管 1. 1 海管管跨涡激振动方程的求解
跨进行可靠性设计、可靠性评估工作所要面对和解海底管线管跨段将同时发生平行于来流方向和
决的主要问题。垂直于来流方向的涡激共振, 同时考虑材料的非线
本文针对上述由涡激振动引发的海底管线的两性和管线所受波浪力的非线性建立非线性随机振动
种主要失效形式, 基于非线性动力学理论、随机过方程, 利用随机振动方程理论和可靠性分析的方法
程理论和可靠性分析理论, 建立了更为符合海底管确定管跨的涡激共振失效概率和进行发生涡激共振
线实际工况的共振失效和疲劳失效的可靠性分析方的管跨长度的预测。
法。 1. 1. 1 水平方向涡激共振方程的求解
文中提出了海底管线非线性波浪力载荷的计算由振动理论可知, 管线水平方和振动方程为
方法, 基于非线性动力学理论, 将倍频共振和亚频
4y
y
2y
E I 4 + C + m 2 = FH ( x , t) ( 1)
共振的概念引入管跨的涡激共振失效分析方法中,
x
t
t
并在此基础上确定管跨的涡激共振失效概率和进行式中: E I 为管线的弯曲刚度; C 为结构粘性组尼系
发生涡激共振的管跨长度的预测。数; m 为单位长度结构的质量; FH ( x , t) 为 x 方
海底管线疲劳失效是指海底管线长期处于微幅向单位长度流体总作用力, 即横向力。
考虑波流联合作用和管道的运动状态, 则可将
收稿日期: 2003-01-15