文档介绍：第 22 卷第 3 期振动工程学报 V ol. 22 N o . 3

2009 年 6 月 Journal of Vibration Eng ineering Jun. 2009
考虑几何非线性的海底悬跨管道疲劳可靠性分析方法
何勇, 龚顺风, 金伟良
( 浙江大学结构工程研究所, 浙江杭州 310058)
摘要: 疲劳可靠性是海底悬跨管道安全性分析的一个重要组成部分。考虑海底悬跨管道的几何非线性特征, 建立了
悬跨管道疲劳可靠性分析方法。该方法结合模态分析, 首先把系统隐式的非线性项转化为由模态坐标高次组合表
示的显式非线性项, 在此基础上引入虚拟激励法, 建立结构在随机流力作用下的等效线性化系统, 从而确定结构非
线性随机响应, 在此基础上进一步分析悬跨管道的疲劳可靠性。通过对某一海底管道的分析结果, 表明该方法具有
较好的计算精度和较快的计算速度。同时分析了不同悬跨长度对计算结果的影响, 分析结果表明在管道悬跨长度
较小时忽略几何非线性因素对结果影响很小, 当悬跨长度较大时, 忽略结构几何非线性的影响将会产生显著误差。
关键词: 悬跨管道; 疲劳可靠性; 非线性随机振动; 几何非线性; 等效非线性系统
中图分类号: O 346. 2; P756. 2 文献标识码: A 文章编号: 1004-4523( 2009) 03-0313-06
进行了疲劳评估[ 5] , 确定各受力环境下的管道疲劳
引言寿命。这些方法可以分为时域和频域两类。时域分
析方法通过对整个历史周期进行分析确定累积损
海底油气管道由于它具有运输量大、密闭安全伤, 由于结构和环境荷载具有随机性, 故时域方法需
能够长期连续稳定运行等优点, 在海上油田开发中要大量的计算, 效率低下, 实际应用困难。而频域方
得到大量的运用。然而, 由于海床的不平整或海流对法可以解决计算效率低下的问题, 目前应用较多。然
不稳定海床的长期冲蚀以及管道内外流引起的振动而频域方法的缺陷在于该方法在分析过程中很难考
等复杂因素, 不可避免地使海底管道出现悬跨段。管虑结构的非线性, 比如针对悬跨管道, 悬跨导致的几
道悬跨的存在会使海底管道在海流作用下发生涡激何非线性特征, 现有的频域分析方法都很难考虑, 而
振动而产生疲劳破坏。管道一旦发生破坏, 不仅工忽略这一因素的影响, 有时会产生很大的计算误差。
程本身会蒙受损失, 还将引发严重的环境污染和次本文针对以上难题, 提出了一个在频域考虑悬
生灾害。2000 年10 月, 中湖油气田海底输跨管道几何非线性特征的疲劳可靠性分析方法。首
气管道, 在两次台风的袭击下, 被海底急流掏空了两先结合模态分析, 把系统隐式的几何非线性力项转
处海床, 导致海管出现悬跨而迅速失效, 油气田被迫化为由模态坐标高次组合表示的显式非线性力项,
停产, 产生了不良的社会影响和重大的经济损失。中在此基础上引入虚拟激励法, 建立结构在随机荷载
国已铺设的海底管道也存在很多隐患, 据文献[ 1] 对作用下的等效线性化系统, 从而可以得到悬跨管道
埕岛油田 6l 条海底管线的调查, 仅有 5 条管线未被的非线性随机响应, 在此基础上进一步对悬跨管道
冲刷悬空, 仅占8% 。有鉴于此,