[发明专利]一种海洋管道自振固有频率的计算方法

说明书

本发明公开了一种海洋管道自振固有频率的计算方法，具体步骤为：测量海洋管道的半径R，长度L，壁厚h以及密度ρ；确定海洋管道材料的杨氏模量E和泊松比μ；测量海水的密度ρ_f；通过固有频率计算公式计算考虑流固耦合效应时的海洋管道自由振动固有频率。本发明基于板壳理论，考虑流体与壳体结构的流固耦合效应对壳体自由振动的影响，整体地分析海洋管道自由振动现象，提出更合理、更简便的固有频率计算方法。

技术领域

本发明属于海洋工程领域，具体涉及一种同时考虑流固耦合效应与管道初始曲率影响的海洋管道自振固有频率的计算方法。

背景技术

海底管道铺设于崎岖的海床上，由于海床轮廓的不均匀和海床底流等因素的共同作用，在管道铺设路径上的某些区域，管道暴露在外形成悬空段。在环境载荷的长期作用下，悬空段极易疲劳失效。在各种失效形式中，以涡激振动的出现概率最高且危害性最大。

在上述工况下，管道悬空部分的长度较长，管道的初始曲率对于自身振动的影响很大，不能忽略。而国内外的学者虽然有研究海洋管道的振动问题，但一般不考虑管道初始曲率的影响，甚至不考虑管道与来流的耦合作用。这一定程度上简化了问题的难度，但具有一定的误差。然而，想更加深入的了解海洋管道的振动问题，管道与流场的耦合作用、管道初始曲率的影响均需要考虑在内。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种考虑流固耦合效应与管道初始曲率影响的海洋管道自由振动的固有频率计算方法，该计算方法基于板壳理论，考虑壳体结构的初始曲率影响，整体地分析海洋管道与流场耦合的自由振动现象。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种海洋管道自振固有频率的计算方法，包括下列步骤：

S1、获取海洋管道的几何参数和材料参数，其中几何参数包括海洋管道的半径R、海洋管道的长度L、海洋管道壁厚h；材料参数包括弹性模量E、泊松比μ；

S2、测量海水的密度ρ_f；

S3、根据海洋管道的边界条件确定轴向模态k_m以及与边界条件有关的参数α、β、γ、δ；其中，海洋管道的边界条件为海洋管道两端的支承方式，支承方式包括简支与固支；

S4、计算海洋管道壳体的抗弯刚度D，并求解流场对管道的耦合效应过程中产生的第二类虚宗量贝塞尔函数K_n(k_mR/L)、第二类贝塞尔函数Y_n(k_mR/L)的导数：

S5、计算海洋管道自由振动的固有频率值：

优选地，当海洋管道的边界条件为简支时，支承端阻止海洋管道端部发生位移，而对海洋管道的转动无限制；当海洋管道的边界条件为固支时，支承端阻止海洋管道端部发生位移和转动。

优选地，步骤S5包括：

S51，建立海洋管道在振动过程中的总能量，总能量为管道的应变能、管道的动能以及流体的动能之和；

S52，根据板壳理论，得到薄板小挠度的几何方程为：