计及管土接触效应的深海悬链线立管涡激振动及疲劳损伤研究

Comparing with the traditional rigid riser, the mechanical characteristic of Steel Catenary Riser (SCR) is more complex with the geometrical nonlinearity of large deformations and riser-soil interaction. The touch-down zone is the critical area for SCR with its significant fatigue damage. The vortex-induced vibration (VIV) and riser-soil interaction problems are usually studied separately as two independent problems, which could not consider the couple effects. In this project, the prediction approach of VIV response and fatigue damage for SCRs with seabed effects is to be studied together. Theoretical deduction, numerical simulation and model test are to be carried out to investigate the VIV couple response of cross-flow and in-line direction for the slender risers. A new special nonlinear finite element is to be developed to simulate the seabed trench, soil suction, hysteresis of resistance, remoulding and reconsolidation effects. The time-domain numerical approach for SCR’s VIV analysis is to be established and the dynamic characteristics under steady current and oscillatory flow are to be studied in the “riser-fluid-seabed” couple analysis model. The fatigue modes at the touch down point will be discussed. This research work may provide important theoretical foundation for riser’s optimal design and safety assessment.

深海悬链线立管具有大挠度变形的几何非线性和立管与海床相互作用的复杂力学特性，立管触地端是发生疲劳损伤的关键区域，目前研究者大多将立管涡激振动和管土接触作为相互独立的问题开展，不能全面反映两者之间的耦合作用和关联机制。本项目围绕悬链线立管的非线性涡激振动响应预报方法及疲劳损伤特性开展研究。采用理论分析、数值仿真和模型试验相结合的手段，研究细长立管横流-顺流双向耦合涡激振动的机理；创建能体现海床沟槽、土体吸力、刚度衰减、重塑和再固结等复杂效应的非线性接触计算单元；发展一套可计及立管与海床接触作用效应的横流-顺流双向涡激振动时域数值预报方法；开展“流体-结构-海床土体”多物理参数的耦合数值研究，揭示大挠度悬链线立管结构在定常洋流、顶端浮体振荡运动等多成分激励下的涡激振动响应特性，总结涡激振动诱发悬链线立管触地区域疲劳损伤的规律和影响因素，为深海立管的优化设计和安全评估提供重要的理论与技术支撑。

钢悬链线立管是开展深海油气资源开采、集输等工作的重要部件，已逐步成为深水油气资源开发的首选立管形式，其设计与安全保障技术是当前海洋工程领域研究的热点与前沿问题。钢悬链线立管涡激振动特性及触地区域管土作用机制的掌握对提升深水管线的设计水平有着重要的理论和工程应用价值。.本项目采用理论分析、数值仿真、试验对比相结合的手段开展了深海悬链线立管在复杂边界条件下涡激振动非线性时域预报方法及其诱发疲劳损伤研究，本项目完成的主要工作和取得的成果如下：.（1）建立了面向实尺度立管的横流-顺流双向涡激振动时域分析方法，提出了顺流向涡激振动锁定判定及双激励区幅值分配准则。定量分析了附加质量系数变化效应对立管涡激振动响应的影响，通过与传统频域预报方法对比，验证了本项目建立的时域预报方法的有效性。.（2）在涡激振动载荷模型中计及了来流速度和方向的时变效应，提出了非定常流下立管涡激振动响应预报方法。通过将预报结果与振荡流模型试验进行对比，验证推荐方法的合理性和有效性。从模态转化、频锁范围变化等角度出发，总结了振荡折合速度、Kc数等重要控制参数对涡激振动响应的影响。.（3）基于Randolph-Quiggin非线性管土作用理论，创建了管土非线性计算单元，通过与模型试验对比分析，验证了其精度。研究建立了“立管-流体-海床”流固耦合力学分析模型，实现了立管涡激振动与管土作用耦合动力响应预报，揭示了立管不同激励条件下海床沟槽发展的规律和管线结构动力响应特性。.（4）开展了悬链线立管涡激振动及管土作用耦合响应下疲劳损伤研究。针对海流分布形态、浮体运动、海床土壤特性、沟槽形状等系列参数开展敏感性分析，揭示了不同环境条件对悬链线立管疲劳损伤特性的影响规律。结合随机波浪理论及势流理论，实现了实海况波流与浮体运动联合作用下悬链线立管的疲劳损伤预报。