计及内波及管土耦合影响的深海管跨振动分析研究

发布时间：2020-02-27 09:33

【摘要】：随着海上油气资源开采的脚步不断向深水海域迈进，深水管线工程已备受青睐。深水海床不规则、海流冲刷及海床土壤的不均匀性使得海底管线不可避免地出现自由管跨现象。管跨段是管线系统中最危险的部分，，本文针对深水海域归纳了管跨的成因及主要类型。跨端边界的处理方式对管跨段的振动分析研究有着不可忽视的影响。本文利用ABAQUS有限元软件建立了考虑初始地应力作用下的管土耦合三维计算模型，得到垂向及侧向两个方向的阻力位移曲线，并将土体粘聚力、杨氏模量、土体密度、海床地形形状和土体摩擦系数作为敏感性因素对其进行敏感性分析。随后将计算所得的阻力位移曲线数据加至ABAQUS的inp文件中进行管跨边界条件加载，作为管跨振动分析的非线性边界条件。位于深水海域的管跨段主要受到海流载荷的作用，当海流以一定流速流经管跨段时，便会引发涡激振动现象。文中选取了水平段管跨和爬坡段管跨两个计算实例，分别对其进行了模态分析和涡激振动分析，并对比了不同边界处理方式对涡激振动响应的影响。此外，针对爬坡段管跨，分别考虑了分层流和均匀流两种海流流场，并就跨长和跨中支撑形式进行了敏感性分析。海洋内波是密度层化海洋中普遍存在的一种波动现象。文中介绍了内波的特性、典型三层模式及其退化模式，并给出了内波流场的解析解。此外，文中给出了三种典型的内波流场，通过Morison公式来实现内波载荷的加载。综合来讲，本文提出了一套适用于深水海域的考虑管土耦合作用下，计及分层流与海洋内波载荷的管跨振动分析方法，对实际工程具有一定的指导意义。
【图文】：

三维计算模型,耦合作用,海底管线,海床

海床与海底管线耦合作用的两种三维计算模型对比

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图 1-1 海床与海底管线耦合作用的两种三维计算模型对比2）在连续型三维计算模型的基础上，考虑海床地形对管土耦合作用的步分析了海床地形的坡度变化对管土耦合作用的影响。以往的计算中二维模型来计算平整形状的海床与管线之间的阻力位移关系，故由此性弹簧是均一值，未曾考虑到土壤弹簧的刚度沿管线轴向方向的变化3）对三维海床土体进行了初始地应力平衡计算。在进行管土耦合作析之前，海床土体本身具有一定的初始应力场，从而对管土耦合作用响。以往的计算中很少考虑到初始地应力对管土耦合作用的影响，且则海床土体的初始地应力平衡计算更为少见。4）当海床由浅海向深海急剧过渡时，会出现陡坡这样一种特殊的海床线不可避免的经过陡坡时，管线则会在垂向上会存在一个相当大的跨到几百米，如图 1-2 所示。针对海床地形在垂向上的这种陡跨现象，爬坡段管跨计算模型，分别进行了分层流、均匀流和内波载荷的加载爬坡段管跨并考虑分层流及内波加载方式的计算鲜有论述。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P756.2

【参考文献】