考虑流固耦合时的海洋平台结构非线性动力分析.pdf

第卷第期中国海洋大学学报～
35535(5):823826
2005年9月PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINASept.,2005

考虑流固耦合时的海洋平台结构非线性动力分析X

张学志,黄维平,李华军
(中国海洋大学海岸与海洋工程研究所,山东青岛266071)

摘要:采用非线性的Morison方程,建立了考虑流固耦合时的海洋平台非线性动力方程及其时程分析方法。以一固定式
导管架平台为算例,计算了考虑流固耦合时的海洋平台浪致振动响应,比较了考虑流固耦合和不考虑流固耦合时海洋平台动
力响应的差异。算例表明:在较大的波浪条件下,不考虑流固耦合时的计算结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果,因此,
偏于不安全。分析认为,在极端海况条件下,考虑流固耦合的分析方法更符合实际情况。
关键词:流固耦合;海洋平台;非线性动力分析;Morison方程;时程分析
中图法分类号:P751;文献标识码:A文章编号:167225174(2005)052823204

固定式导管架平台是目前世界上使用最广泛的海1
P=PD+PI+Pm=CDρA(u-Ûx)|u-Ûx|+
洋平台。它是由导管腿、水平弦杆、斜撑等圆管杆件构2
CρVÛu-CρVx¨(1)
成的空间刚架结构,是近海油气的钻探、开采、生活的Mm
它是以绕射理论为基础的半理论半经验公式。式中,
基地。海洋平台常年受到风、波浪、海流的作用,在极
和分别为单位长度桩柱上的惯性力、拖曳力
端情况下还会遇到地震、海啸、冰封等威胁。对于导管PI,PDPm
架平台结构设计来说,波浪荷载是最主要的控制荷(阻力)和附连水质量;CM,CD和Cm分别为惯性力系
载[1]。数、拖曳力系数(阻力系数)和附连质量;u和Ûu分别为
随着我国沿海石油工业的发展,对海洋平台波浪该段桩柱处(离海底以上z处)水质点轨道运动的水平
荷载的确定提出越来越高的要求。目前,在对海洋平速度和水平加速度。Ûx和x¨分别为该段桩柱的水平速
ρ
台进行动力分析时,波浪力的计算通常采用线性化的度和水平加速度。为海水密度。A表示该段桩柱垂
Morison方程[224],大多没有考虑海洋平台自身运动的直于波向的投影面积,对于圆形桩柱,A=1×D;D为
影响,这必然带来一定误差。在小位移情况下,其误差桩柱的直径。V为该段桩柱排水的体积,对于圆形桩
πD2
较小。因此,为简化计算人们常采用线性化的方法。柱,V=1×。将A与V带入上式中,则单位长度
4
而在大位移条件下,线性化分析方法往往引起较大误
上总水平波浪力为:
差。因此,在极端海况条件下,海洋平台的动力分析采
1πD2
P=CρD(u-Ûx)|u-Ûx|+CρÛu-
用线性Morison方程显然是不恰当的。本文采用非线2DM4
性的Morison方程,建立了考虑流固耦合时的固定式πD2
Cρx¨(2)
海洋平台的非线性动力方程及其时程分析方法。通过m4
对一导管架海洋平台在考虑流固耦合和不考虑流固耦当结构的振动速度和加速度较小时(Ûx<<u和x¨
合条件下的时程分析,比较了两者之间的差异。<<Ûu),则Morison方程可写为:
118
P=CρπD2Ûu+CρDu|u|(3)
1考虑流固耦合时的动力学方程4M2Dπ
为了简化计算,上式可进一步线性化表示为[5]:
作用于海洋结构物上的随机波浪力荷载的计算是
118
非常困难的因为它包括了波浪与结构物之间的相互P=CρπD2Ûu+CρDσu(4)
,,4M2Dπrms
作用。就随机波浪本质而言目前高阶非线性理论发
,,式中,σrms为速度u的标准差,σrms=
展仍不完备。直到目前为止,作用在细长柱体(例如圆∞
Su(ω)dω。这就是目前常用的线性化Morison
柱体D/L<0.2,其中D:桩柱直径,L:海水波长)上的Q0
波浪力计算,在工程设计中仍广泛采用Morison方程。方程,显然式(4)忽略了结构的响应,没有考虑流体和
Morison方程的完整形式可表述为:固体间的相互作用,即流固耦合作用。在结构振动幅

X基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50325927);青岛市自然科学基金(032jr215)资助
收稿日期:2004209210;修订日期:2005201220
作者简介:张学志(19782),男,硕士生。E2mail:[e-mail]
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度较小的条件下,其误差是可以忽略的。-[R]{Ûxt|Ûxt|}-[I]{x¨t}(8)
当考虑流固耦合时,应当采用(1)式所表达的非线至此,文中得到了全部水下单元的逐步积分格式。
性Morison方程形式,即作用在柱体上的波浪力取决于
数值算例
水质点和结构间的相对速度和相对加速度。这样,在静3
水