深海顶张力立管非线性振动特性研究

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1、深海顶张力立管非线性振动特性研究TheStudyontheNonlinearVibrationBehaviorsofTop-TensionedRisersinDeepWater学科专业：船舶与海洋工程研究生：李杨青指导教师：唐友刚教授天津大学建筑工程学院二零一三年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢

2、意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要深海立管是海洋油气开发中的关键结构。本文研究深海顶张力立管（TTRs）的涡激振动、参激振动和涡激-参激耦合振动响应特性，对于发展深海立管的理论和技术，具有较重要的理论与

3、工程意义。本文考虑立管顶部所受张力和几何非线性因素的影响，考虑立管的几何非线性、涡激力及参激力，建立立管的振动微分方程。将系统视为弱非线性系统，采用非线性解析方法—多尺度法进行理论求解。首先，仅考虑外激励为简谐的涡激升力，选取一阶主共振和二阶主共振两种情况进行求解，研究立管非线性涡激振动的响应特征；其次，仅考虑顶部浮体产生的参数激励，将立管上端部简化为简谐运动的动边界条件，选取一阶参激共振和二阶参激共振两种情况，研究立管发生非线性参激共振时的响应特征；最后，同时考虑涡激、参激两种激励，建立参—涡非线性耦合振动系统，选取一阶参数共振情况，分别考虑涡激频率接近和远离立管横

4、向固有频率两种情形，研究耦合系统的非线性振动响应特征。分析研究结果表明，仅考虑涡激振动时，立管振动的响应频率均以外激频率为主，且发生一阶涡激主共振时，立管响应最大；仅考虑参数振动时，参数激励引起明显的一阶亚谐振动，且发生一阶参数共振时立管响应较大；同时考虑涡激振动和参激振动时，立管振动响应较非耦合系统有明显增大且频率成分复杂，包括亚谐波、分数谐波等。综合研究结果表明，在深海立管的实际设计应用中，应充分考虑涡激参激联合作用下立管的振动响应，避免涡激共振与参激共振同时发生，保证立管安全工作。关键词：深海顶张式立管；非线性振动；多尺度法；涡激振动；参激共振ABSTRACTT

5、herisersarekeystructuresintheoilandgasexplorationinthedeepsea.ThenonlinearvibrationcharacteristicsareinvestigatedforTTRsindeepwaterunderVIV,parametricexcitationandVIV-parametricexcitation.ThestudyhasimportanttheoreticalandengineeringmeaningforthedevelopmentoftheoryandtechnologyofTTRsind

6、eepsea.Thevibrationequationsareestablishedbytakingintoaccountthetoptensionandgeometricnonlinearityoftherisers,consideringboththeparametricexcitationcausedbytheheavemotionofplatformandVIVliftforce.Regardthesystemasaweaknonlinearsystem,approximatedanalyticalsolutionoftheequationsarecalcul

7、atedusingthemethodofmultiplescales.Firstly,consideringtheexternalexcitationincludeonlytheharmonicVIVliftforce,thecaseoffirst-orderandsecond-orderprimaryresonanceareselected.Bysolvingtheequations,thenonlinearVIVresponsecharacteristicsofthedeepsearisersareobtainedandanalyzed.Seco