[发明专利]一种钢悬链式立管出平面运动的分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋深水立管的研究方法，具体涉及一种钢悬链式立管出平面运动的分析方法。

背景技术

钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管是深海油气开发的重要装备，它们的一端与浮式平台连接并自由悬垂至海底，形成一条悬链线。钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管与海底接触的第一点称为触地点，从浮式平台到触地点的一段称为悬垂段。钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管的另一端与井口(生产立管)或海底终端(输运立管)或海底管汇连接，从触地点至井口、海底终端或海底管汇的一段称为流线段。

钢悬链式立管、脐带缆和柔性立管在出平面(悬链线组成的平面)荷载(包括出平面浪流荷载和平面内流产生的涡激升力)作用下，将产生出平面运动。由于悬挂点和触地点之间的悬垂段呈弯曲形状，因此，悬垂段出平面运动时，在发生弯曲变形的同时也将绕悬挂点和触地点形成的轴线转动而产生刚体运动。这部分刚体运动不仅增大了(与仅仅弯曲变形相比)结构的加速度，而且在触地点处产生较大的平面外弯矩，从而增大了触地的弯曲应力，加剧了触地点的疲劳损伤。钢悬链式立管的触地点是该结构的一个薄弱点，即使在只考虑弯曲变形的条件下，其浪致疲劳损伤和涡激振动疲劳损伤均大于其它位置。因此，钢悬链式立管的出平面刚体运动对触地点的疲劳设计就显得尤为重要。目前，公知的钢悬链式立管分析技术没有考虑这部分刚体运动，而主要依赖增大安全系数的方法来保证钢悬链式立管的安全设计。

现有技术的钢悬链式立管出平面运动分析是采用梁的弯曲运动方程：

(m+ma)r··+(c+ca)r·+kr=q---(1)]]>

式中，r--弯曲位移；

--弯曲速度；

--弯曲加速度；

m--立管单位长度的质量；

m_a--立管单位长度的附加质量；

c--立管单位长度的结构阻尼系数；

c_a--立管单位长度的附加阻尼系数；

k--立管弯曲刚度，包括弹性弯曲刚度和几何刚度；

q--作用在立管上的荷载。

现有技术的主要缺点在于：

1、没有考虑刚体转动引起的加速度对钢悬链式立管惯性力和附加质量的影响。

结构的动力平衡方程中的惯性力一项(梁的弯曲运动方程中的第一项)应该是结构的绝对加速度，但现有技术采用的是弯曲变形引起的加速度，忽略了刚体转动引起的加速度，因此，计算值偏小。

2、没有考虑刚体转动引起的速度对钢悬链式立管附加阻尼和水动力荷载的影响。

结构的动力平衡方程中的阻尼力一项(梁的弯曲运动方程中的第二项)分为两部分，一部分是结构自身的阻尼(梁的弯曲运动方程中的第二项的第一部分)，另一部分是水动力的附加阻尼(梁的弯曲运动方程中的第二项的第二部分)，这部分阻尼的大小取决于结构与流体的相对速度，因此，应该是结构的绝对速度，但现有技术采用的是弯曲变形引起的速度，忽略了刚体转动引起的速度，因此，计算值偏小。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，考虑钢悬链式立管出平面运动的刚体转动引起的速度和加速度，建立钢悬链式立管(脐带缆和柔性立管)出平面运动的分析方法。

本发明的技术方案如下：一种钢悬链式立管出平面运动的分析方法，建立的钢悬链式立管出平面运动分析模型如下：