剪切流下钢悬链线立管涡激振动响应研究
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振
动
与
冲
击
第２ ９卷第 ｌ ０期
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＢＲＡＴＯＮ ＡＮＤ Ｓ ＯＦ ＶＩ Ｉ ＨＯＣＫ
剪切 流 下钢悬 链线 立 管涡激 振 动响应 研 究
饶 志标 ，杨建 民， 付世 晓 ，李润培
（ 海 交 通 大 学 海 洋 工 程 国 家重 点 实 验 室 ， 海 上 上 ２０ ３ ） ００ ０
运动 的容量大 ， 可适应 高温高 压环境 等优点 。 钢悬链 立管 在 深 海 得 到 广泛 应 用 的 同时 ， 其 设 对
计、 制造 、 安装 和安全 服役 提 出 了新 的课 题 和挑 战。 当 浮体在风 、 浪和流 的共 同作用 下 发生 运 动 时 ， 悬垂 段 和 流线段会 同 时随 浮体 运 动 ， 而 引 起触 地 点 沿 轴 线 变 从 化， 与此 同时 流线 段 会 和 海底 发 生 相 互 作 用 。触 地 点
验虽然有 很 多 优点 ， 但仍 有 些 试 验 时 ， 体 的大 小 和 方 向就 无 法很 好 流
地模 拟 ， 不便于进 行 系列 涡 激振 动 的研 究 ， 也不 便 于找 出涡激振 动 的规 律 ； 同时 室外 涡 激 振 动 试 验 的成 本 太 昂贵 ， 一 点 主 要 体 现 在 数 据 采 集 和 设 备 的 使 用 上 。 这
底应力接 头 。其 次 ， 与顶端 张 紧立 管相 比 ， 钢悬 链 立管
还具有 成本低 ， 不需要 顶张 力 补偿 ， 浮体 漂移 和 升沉 对
室 内试验 虽然 可 以很好 地 解 决 流 速模 拟 问题 ， 不 能 却
完 全模拟 立管 在 实 际 海况 中 的情 况 ， 要 问 题就 是 雷 首
预报横 向位 移和 曲率方 面要 比 Ｃ Ｄ预报 准确 。 Ｆ
这 是 因为二维 的 Ｃ Ｄ不 能充分 反应立 管涡激振 动 Ｆ
的实 际情况 ， 即便 是 在 预报 弹 性 支撑 刚性 圆柱 体 的涡 激振 动响应上 ， 是不 准 的（ ｌｃｂ ｒ ｔａ）３。在 现 也 Ｂａｋ ｕｎｅ １ ［ ３
诺 数在室 内无法 满足 和室 外情 况一 致 。基 于上 述 涡激 振 动试验 的优 缺 点 ， 激 振动 数 值 预 报 软件 常成 为 学 涡
者研究 涡激振 动 的最优 选择 。数 值 预报 的结 果 在很 大 的程 度上还 是 比较 准确 的 。 目前 的涡激 振 动响 应预 报 模 型大多采 用 半 经 验模 型。一 般 情 况 下 ， 验 模 型 在 经
摘 要 ：给出线性轴向张力下顶端张紧式立管忽略弯曲刚度时的固有频率和模态振型解析解 ， Ｓｅｒ 给出的 与 ｈａ／ ＇
结果进行 比较。结果表 明： 在低于 ２ Ｏ阶模 态数 时， 两种方法得到 的固有频率能很好地符 合 ； 在高 于 ２ ０阶模态数时 ， 随模 态数的增加 ， 两种方法得 到的固有频率结果差距也逐渐变大 ， 因此弯曲刚度不能 忽略。由悬链 线方程将钢悬链线 立管等 效 为顶端张紧立管 ， 通过研究顶端张紧式立管的涡激振动响应来研究钢悬链线立管 的涡激振动响应 。研究发现钢悬链 线
报钢悬链 线 的涡 激 振 动 响应 ， 因此 需 要 通 过 预 报顶 端 张 紧立管 的涡激 振动响 应 间接 地得 到 钢悬 线立 管 的涡
的疲劳损伤 主要是 由浮 体运 动 和涡 激振 动 引起 的。如
果 将柱体 置于 一 定速 度 的来 流 当 中 ， 两 侧 会 产 生 交 其 替漩 涡 ， 随漩涡 的生成 与泻 放 ， 伴 柱体 会 受 到横 向及 流 向的脉动压 力 。如 果 此 时 柱体 是 弹性 支 撑 的 ， 么 脉 那 动 流体力将 引 发 柱体 的振 动 ， 柱体 的振 动 反 过 来 又 会 改变 其尾流结 构 。这种 流体一 结 构物 相互 作 用 的 问题
各个 石油公 司独立进 行 的试 验研究 （ Ｓ ｅｌ Ｂ ， ｘ— 如 ｈ ｌ Ｐ Ｅ ｘ ，
ｏＭ ｂ 等 ） 。涡激振 动 的研 究 因而 成 为近 年来 海 洋 ｎ ｏｉ Ｊ ｌ
工程 界研究 的热点 问题 之一 。
等效顶 端张 紧式 立管 的参数 。 由于 Ｓ ｅｒ 能直 接预 ｈａ７不
有 的经 验模 型中 ，ｈ ａ 在 预报横 向涡激 振动 响应 上 Ｓ ｅｒ ７ 要 比其 它数值 软 件 的预 报结 果 准 确 得 多 ， 试 验数 值 与 相 比 ，ｈ ａ７所 预 报 的结 果 偏 大 ５ 左 右 。因此 ， Ｓ ｅｒ ％ 本 文采用 Ｓ ｅｒ 预报 钢悬链 线涡激振 动 响应 。 ｈａ ７来 本 文推导 了 简支 边 界 条 件 下 的钢悬 链 线 方 程 ， 从 而得到 了 钢 悬 链 线 立 管 的静 态 位 移 和 轴 向 张力 的变 化 。由钢悬链 线 方 程 ， 可将 钢 悬 链 线 立 管 参 数 转化 为
被称作 “ 涡激振 动 ” 。为 了理解 深海 柔性 立 管 的涡激振
动特性 ， 近年来 ， 工业 界与 学术 界对 涡 激振 动 的研 究相
当活跃 ， 包括 多 家机 构 联 合 进行 的 涡激 振 动试 验 及 机
理研 究 （ ｅｐ ｔ ， ｏｗ ｇ ｎＤ ｅ ｗ ｔｒＰｏｒｍ） 以及 Ｄ ｅ Ｓ ｒ Ｎ ｒｅｉ ｅｐ ａ ｒｇａ ， ａ ａ ｅ
立管的静态位移与转化之后 的等效立管均方根位移组成了类 似于锯条 的形状。
关键词 ：涡激振动 ； 钢悬链线立管 ； 响应预测 ； 线性轴 向力
中图 分 类 号 ：Ｔ ２３ Ｈ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
钢 悬链 线 立 管 （ Ｃ Ｓ Ｒ）自从 １９ ９４年第 一 次 安 装 在
墨西 哥湾 ８２ｍ水 深 的张力腿 平 台 Ａ ｇｒ 以来 ， ７ ｕｅ 上 就备 受瞩 目¨ 。首先钢 悬链线 立管 的应 用 大大 降低 了水下 ］ 施工量 和施 工难 度 ， 与 浮式 结 构 连 接 时 也 不需 要 海 它
动
与
冲
击
第２ ９卷第 ｌ ０期
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＢＲＡＴＯＮ ＡＮＤ Ｓ ＯＦ ＶＩ Ｉ ＨＯＣＫ
剪切 流 下钢悬 链线 立 管涡激 振 动响应 研 究
饶 志标 ，杨建 民， 付世 晓 ，李润培
（ 海 交 通 大 学 海 洋 工 程 国 家重 点 实 验 室 ， 海 上 上 ２０ ３ ） ００ ０
运动 的容量大 ， 可适应 高温高 压环境 等优点 。 钢悬链 立管 在 深 海 得 到 广泛 应 用 的 同时 ， 其 设 对
计、 制造 、 安装 和安全 服役 提 出 了新 的课 题 和挑 战。 当 浮体在风 、 浪和流 的共 同作用 下 发生 运 动 时 ， 悬垂 段 和 流线段会 同 时随 浮体 运 动 ， 而 引 起触 地 点 沿 轴 线 变 从 化， 与此 同时 流线 段 会 和 海底 发 生 相 互 作 用 。触 地 点
验虽然有 很 多 优点 ， 但仍 有 些 试 验 时 ， 体 的大 小 和 方 向就 无 法很 好 流
地模 拟 ， 不便于进 行 系列 涡 激振 动 的研 究 ， 也不 便 于找 出涡激振 动 的规 律 ； 同时 室外 涡 激 振 动 试 验 的成 本 太 昂贵 ， 一 点 主 要 体 现 在 数 据 采 集 和 设 备 的 使 用 上 。 这
底应力接 头 。其 次 ， 与顶端 张 紧立 管相 比 ， 钢悬 链 立管
还具有 成本低 ， 不需要 顶张 力 补偿 ， 浮体 漂移 和 升沉 对
室 内试验 虽然 可 以很好 地 解 决 流 速模 拟 问题 ， 不 能 却
完 全模拟 立管 在 实 际 海况 中 的情 况 ， 要 问 题就 是 雷 首
预报横 向位 移和 曲率方 面要 比 Ｃ Ｄ预报 准确 。 Ｆ
这 是 因为二维 的 Ｃ Ｄ不 能充分 反应立 管涡激振 动 Ｆ
的实 际情况 ， 即便 是 在 预报 弹 性 支撑 刚性 圆柱 体 的涡 激振 动响应上 ， 是不 准 的（ ｌｃｂ ｒ ｔａ）３。在 现 也 Ｂａｋ ｕｎｅ １ ［ ３
诺 数在室 内无法 满足 和室 外情 况一 致 。基 于上 述 涡激 振 动试验 的优 缺 点 ， 激 振动 数 值 预 报 软件 常成 为 学 涡
者研究 涡激振 动 的最优 选择 。数 值 预报 的结 果 在很 大 的程 度上还 是 比较 准确 的 。 目前 的涡激 振 动响 应预 报 模 型大多采 用 半 经 验模 型。一 般 情 况 下 ， 验 模 型 在 经
摘 要 ：给出线性轴向张力下顶端张紧式立管忽略弯曲刚度时的固有频率和模态振型解析解 ， Ｓｅｒ 给出的 与 ｈａ／ ＇
结果进行 比较。结果表 明： 在低于 ２ Ｏ阶模 态数 时， 两种方法得到 的固有频率能很好地符 合 ； 在高 于 ２ ０阶模态数时 ， 随模 态数的增加 ， 两种方法得 到的固有频率结果差距也逐渐变大 ， 因此弯曲刚度不能 忽略。由悬链 线方程将钢悬链线 立管等 效 为顶端张紧立管 ， 通过研究顶端张紧式立管的涡激振动响应来研究钢悬链线立管 的涡激振动响应 。研究发现钢悬链 线
报钢悬链 线 的涡 激 振 动 响应 ， 因此 需 要 通 过 预 报顶 端 张 紧立管 的涡激 振动响 应 间接 地得 到 钢悬 线立 管 的涡
的疲劳损伤 主要是 由浮 体运 动 和涡 激振 动 引起 的。如
果 将柱体 置于 一 定速 度 的来 流 当 中 ， 两 侧 会 产 生 交 其 替漩 涡 ， 随漩涡 的生成 与泻 放 ， 伴 柱体 会 受 到横 向及 流 向的脉动压 力 。如 果 此 时 柱体 是 弹性 支 撑 的 ， 么 脉 那 动 流体力将 引 发 柱体 的振 动 ， 柱体 的振 动 反 过 来 又 会 改变 其尾流结 构 。这种 流体一 结 构物 相互 作 用 的 问题
各个 石油公 司独立进 行 的试 验研究 （ Ｓ ｅｌ Ｂ ， ｘ— 如 ｈ ｌ Ｐ Ｅ ｘ ，
ｏＭ ｂ 等 ） 。涡激振 动 的研 究 因而 成 为近 年来 海 洋 ｎ ｏｉ Ｊ ｌ
工程 界研究 的热点 问题 之一 。
等效顶 端张 紧式 立管 的参数 。 由于 Ｓ ｅｒ 能直 接预 ｈａ７不
有 的经 验模 型中 ，ｈ ａ 在 预报横 向涡激 振动 响应 上 Ｓ ｅｒ ７ 要 比其 它数值 软 件 的预 报结 果 准 确 得 多 ， 试 验数 值 与 相 比 ，ｈ ａ７所 预 报 的结 果 偏 大 ５ 左 右 。因此 ， Ｓ ｅｒ ％ 本 文采用 Ｓ ｅｒ 预报 钢悬链 线涡激振 动 响应 。 ｈａ ７来 本 文推导 了 简支 边 界 条 件 下 的钢悬 链 线 方 程 ， 从 而得到 了 钢 悬 链 线 立 管 的静 态 位 移 和 轴 向 张力 的变 化 。由钢悬链 线 方 程 ， 可将 钢 悬 链 线 立 管 参 数 转化 为
被称作 “ 涡激振 动 ” 。为 了理解 深海 柔性 立 管 的涡激振
动特性 ， 近年来 ， 工业 界与 学术 界对 涡 激振 动 的研 究相
当活跃 ， 包括 多 家机 构 联 合 进行 的 涡激 振 动试 验 及 机
理研 究 （ ｅｐ ｔ ， ｏｗ ｇ ｎＤ ｅ ｗ ｔｒＰｏｒｍ） 以及 Ｄ ｅ Ｓ ｒ Ｎ ｒｅｉ ｅｐ ａ ｒｇａ ， ａ ａ ｅ
立管的静态位移与转化之后 的等效立管均方根位移组成了类 似于锯条 的形状。
关键词 ：涡激振动 ； 钢悬链线立管 ； 响应预测 ； 线性轴 向力
中图 分 类 号 ：Ｔ ２３ Ｈ １ 文 献 标 识 码 ：Ａ
钢 悬链 线 立 管 （ Ｃ Ｓ Ｒ）自从 １９ ９４年第 一 次 安 装 在
墨西 哥湾 ８２ｍ水 深 的张力腿 平 台 Ａ ｇｒ 以来 ， ７ ｕｅ 上 就备 受瞩 目¨ 。首先钢 悬链线 立管 的应 用 大大 降低 了水下 ］ 施工量 和施 工难 度 ， 与 浮式 结 构 连 接 时 也 不需 要 海 它