平台桩腿涡激振动响应研究.pdf

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1、平台桩腿涡激振动响应研究12[张倩杜宜洋][1，大连船舶重工集团设计研究所有限公司，116021；2，大连职业技术学院，116035][摘要]由于平台桩腿在水中会受到涡激力的影响，而它的长期作用会使平台结构产生疲劳损伤。本文通过ANSYS/LS-DYNA数值分析软件，基于任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟出不同桩腿截面以及不同方向来流对平台涡激力的影响，对避免平台结构疲劳损伤破坏具有指导意义。[关键词]自升式钻井平台涡激振动数值模拟VortexInducedVibration(viv)ResponseAnal

2、ysis12[ZhangQianDuYiyang][1,DALIANSHIPBUILDINGINDUSTRYENGINEERINGANDRESEARCHINSTITUTECO.,LTD,116021;2,DALIANVOCATIONAL&TECHNICALCOLLEGE,116035][Abstract]Thelong-termvortexforceimpactedonthejack-uprigwillleadtothefatiguedamage.Therefore,thisessaydependsonLS-D

3、YNAengineeringsoftwareandALEmethod,whichvalidatesthefeasibilityofthelegofjack-uprig.Thisesseyisinstructiveandmeaningfultopreventthefatiguedamageontheunit.[Keyword]Jack-updrillingplatform;VIV;Numericalsimulation.1前言平台的漩涡发放问题指的是静止于来流中的圆柱型桩腿弦杆由于水流经过会在桩腿弦杆的后方产生交

4、替的漩涡发放现象，形成了垂直于来流方向的漩涡升力和沿着来流方向的【1,2】阻力，当产生的漩涡发放的频率和平台的固有频率接近时，就会引起漩涡共振现象。涡激力的产生对平台结构是有危害的，它的长期作用会使平台结构产生疲劳损伤。本文通过ANSYS/LS-DYNA工程软件，基于拉格朗日欧拉法数值模拟出不同桩腿弦杆截面以及不同方【3】向来流对平台涡激力的响应，对开展平台结构疲劳损伤破坏的研究具有一定的参考价值。2平面圆柱旋涡发放的模拟本文首先利用LS-DYNA对最简单的平面圆柱在来流下的旋涡发放现象进行模拟。其中，圆柱的直

5、径为0.01m，来流速度为5m/s，Strouhal数取为0.2，根据涡发放频率公式（1.1），【4】可以得出该圆柱的旋涡发放频率为：Stv0.25n100HzsB0.01（1.1）下图1.1给出了平面圆柱的有限元模型，图2.1（1）给出了平面圆柱有限元模型的放大模型。图2.2给出了圆柱旋涡发放的流体速度云图，图2.3是带流体速度方向的旋涡发【5,6】放云图，图2.3（1）为图2.3的局部放大图。图2.1圆柱有限元模型及其放大图图2.2圆柱旋涡发放示意图图2.3圆柱旋涡发放矢量图及其局部放大图图2.4

6、圆柱在垂直来流方向的受力曲线可以观察得到，圆柱后方旋涡在圆柱的两侧分布，即每次当圆柱发出一个漩涡，圆柱在垂直于来流的方向的受力在大小和方向上就会发生改变，所以，通过圆柱在垂直于来流方向的受力曲线（图2.4），可以计算得到圆柱的旋涡发放频率约为100Hz。这个结果得到[7,8]了理论计算公式的支持。3圆柱型桩腿对平台涡激振动响应的影响工况1，为了计算方便，模型中仅部分结构建立流固耦合如图3.1所示，桩腿底端刚固。由于桩腿弦杆截面相同，且为等边的三角形，所以x和y方向的来流对桩腿的影响是相同的，所以以x方向来流为例

7、来模拟桩腿涡激振动响应。图中来流沿x轴方向流动，流体域建成为23m×16.46m×6m的长方体，网格大小为0.2m。在图3.2所示的来流（1.4m/s）作用下，发生了涡激振动。取部分结构如图3.4所示，其计算结果列于表3.1，并显示于图3.1至图3.9。图3.1圆形结构及流体局部耦合有限元模型（左）和局部放大图（右）图3.2结构分布及来流方向图3.3典型流体流动图（1.4m/s）图3.4典型结构有效应变图图3.5总体结构x方向受力曲线图3.6总体结构y方向受力曲线图3.71号结构受力曲线图3.82号结构受力曲线

8、图3.93号结构受力曲线表3.1构件分析结果x方向受力最大值(N)y方向受力最大值(N)整体结构2673615421号结构2381313682号结构1003014073号结构9559942根据上述图表可以得到，由于图中x方向的受力主要为阻力，y方向受力为涡激力，2,3号结构在x方向的受力大小和最大值发生的时间大致相同，而1号结构与来流方向相对较远，最大值出现的时刻发生滞后现象.4X方向