《多海洋立管結構瞬態振動特性及管間耦合作用機制研究》是依託浙江海洋大學，由陳正壽擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：多海洋立管結構瞬態振動特性及管間耦合作用機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳正壽
- 依託單位：浙江海洋大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
多彈性海洋立管間的耦合共振、振動干涉及尾渦區的瀉渦疊加等是管群結構所特有的瞬態振動現象，也是加速其結構極限破壞和疲勞破壞的主要誘因。.本研究在完善非穩態振動信號分解、分析技術的基礎上，採用數值模擬仿真與物理模型實驗相結合的方法，對強迫及自激振動作用下，彈性多立管系統的瞬態振動特性及管間耦合作用機制進行研究。從流固耦合不規則能量轉換和傳遞的角度，揭示均勻流、非均勻流場及複合動荷載作用下，彈性立管系統的振動模態突變、振動耦合、干涉的規律，以及管間振動能量不規則轉移與不同區段瀉渦發放形態、尾渦重組等現象之間的內在耦合機制。本項目關於多立管結構瞬態振動分析及管間耦合、干涉作用機制的研究結果，將對複雜海洋工程系統的結構最佳化設計、結構強度分析及疲勞破壞預報提供理論參考和套用指導。
結題摘要
瀉渦脫落誘發的渦激振動是海洋立管和眾多彈性結構疲勞破壞的主要誘因，越來越受到海洋工程界的關注。對於現代海洋工程結構而言，由於受浮體尺寸限制，大量彈性管體集約在有限空間，勢必造成管群系統振動形式更加複雜。多立管間的耦合共振、振動干涉及尾渦區的瀉渦疊加等是管群結構所特有的瞬態振動現象，也是加速其結構極限破壞和疲勞破壞的主要誘因。 本研究首先對套用於非穩態振動過程的經驗模態信號分解、分析方法進行完善，提出了最大特徵時間窗函式與三次樣條差值的方法剔除非模態項，通過對固有模態函式進行再定義，解決固有模態函式不符合窄帶要求的技術難題。改進後的經驗模態分解方法可套用於分析非穩態渦激振動的瞬態特徵；在完善非穩態振動信號分解、分析技術的基礎上，採用數值模擬仿真與物理模型實驗相結合的方法，對彈性管體群在不同外荷載、不同管間距組合下的耦合振動及尾流形態進行研究，從流固耦合不規則能量轉換和傳遞的角度，揭示均勻流、非均勻流場及複合動荷載作用下，彈性立管系統的振動模態突變、振動耦合、干涉的規律，以及管間振動能量不規則轉移與不同區段瀉渦發放形態、尾渦重組等現象之間的內在耦合機制。闡明各立管在時域內的瞬態振動回響規律及流向自由度對立管群結構順流向和橫流向回響頻率與振幅的影響規律，並對中等間距條件下出現的偏態流現象的產生機制進行說明。 數值仿真與模型試驗均發現在多立管系統中，上下游管體中間渦流區會有回流產生，這種周期性和強度都不可忽視的速度矢量會導致剪下層過早地分離上游彈性管體，從而使得上游管體的振動形態和振動能量隨時間急劇變化，同時使得作用於下游管體的拖曳力顯著減弱，造成下游彈性管體在順流嚮往復運動的幅度增大。如果立管間距較小，這種削弱效應就會更加明顯，相鄰兩管發生碰撞的風險也會相應增高。 本項目中改進的振動信號分解、分析方法為實驗、模擬結果提供了強有力的數據分析工具，物理模型實驗與數值模擬相關的很多重要結論完全受益於此。同時，通過物理模型實驗與數值模擬的結合，很多彈性管渦激振動相關的振動模態、彈性管振動模態瞬時突變、彈性管群的複合耦合振動及尾流區複雜的瀉渦發放形態等方面都從流固耦合的角度給予了合理的解釋。 本項目關於多立管結構瞬態振動分析及管間耦合、干涉作用機制的研究結果，將對複雜海洋工程系統的結構最佳化設計、結構強度分析及疲勞破壞預報提供理論參考和套用指導。
