参数激励下深海立管动力特性研究 Vibration analysis of deep-sea risers under parametric excitations.pdfVIP

振动与冲击 OFVIBRATlONANDSHOCK V01．28No．92009 第28卷第9期 JOURNAL 参数激励下深海立管动力特性研究 杨和振1，李华军2 (1．上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240；2．中国海洋大学工程学院，青岛266100) 摘 要：针对参数激励下深海立管的水平动力响应及参量不稳定性进行研究。随着海洋油气资源勘探开采往深 海进发，立管结构与以往相比起到更为关键的作用，并面临着众多的挑战。特别是当立管系统参数处于不稳定区域时，立 管结构易发生参量共振。导致立管破坏，造成环境污染及经济损失。深海立管结构动力特性较为复杂，首先建立了深海立 管的结构动力学方程，然后采用富洛开理论分析了立管含阻尼与不含非线性阻尼的参量稳定性，计算了立管结构四个典 型工况下的水平动力响应。系统方程的求解考虑了模态之间的耦合作用，探讨了参数激励频率与平台振动幅度之间的关 系，最后，着重分析了阻尼变化对系统参量稳定区域的影响，研究表明系统阻尼能够有效缩减参量不稳定性的区域，并对 深海立管结构设计提出有益的建议。 关键词：深海立管；参数激励；不稳定性；动力响应 中图分类号：TU311：0324文献标识码：A 深海矿产、油气资源开发中为了将矿石、油气传输 体泄露，造成重大经济损失以及环境污染旧．3J，因此，避 到海平面，以便于初步加工分离输送，浮体与海床之间 开这类共振是深海立管结构安全设计中的重要要求。 需要通过立管连接输送资源，这种管线称为深海立管。 海洋管线结构的振动特性得到了较多关注MJ，通 立管结构是深海油气资源勘探开发的关键设施，其工 常采用简单的梁理论计算分析结构弯矩以及剪切力， 程造价相当于上部平台和锚泊系统的造价之和，恶劣 主要的研究集中在波浪、流以及浮体摇晃等水平方向 的深水海洋环境下，结构非线性动力特性尤为复杂…。 激励力导致的振动6J，结构动力学方程的系数原本都 深海平台结构的垂荡运动将导致立管的轴向拉 是不随时间变化的量，但是参量共振描述的动力学方 压，这将会引起立管结构的水平动力响应，这种现象称 程系数是随时间变化的变量。尽管有不少文献的研究 之为参数响应。参数激励作用下能够导致系统的不稳 与参量共振现象相关，但是只有很少的研究是与实际 定性，由于发生参量共振的不稳定区域是一个一个连 工程结构相关联的，多数研究只是在数学探讨分析的 续的参量区间如图l所示，所以避开参量共振比避开 角度研究分析参量共振以及非线性特性【7．8J。深海立 因受迫振动而产生的普通共振要困难得多。特别是深 管参量共振分析比上述研究要复杂，立管结构的参量 海的海洋结构系统而言，随着水深的不断增加。所处的 不稳定性是由于随时间变化的参数激励引起，对于以 服役环境复杂，较易发生参量共振，引起管道破裂和流 普通链／钢缆为锚泊线呈悬链线状分布的伸展系泊系 2 统，国内外已经开展过很多研究归J，刘应中等人¨0．111还 l 分别给出了完整的缆索动力学的基本方程和若干种系 1 泊系统动力分析的时域方法，但是立管结构参量不稳 l 1 定性少有探讨，在极深海域立管结构动力特性非常复 句l 杂，因此精确的动力分析方法需要进一