随着全世界范围内油气开采走向海洋,出现了多种形式的海洋平台,而立管系统是海洋平台进行海底油气输送、开采的重要设施和关键部分。由于海洋立管长期服役于恶劣环境中,海流导致的涡激振动是造成立管发生疲劳破坏的主要原因,因此立管成为了海洋钻井平台系统中最薄弱易损的构件之一。所以准确地预测海洋立管的涡激振动响应具有极其重要的意义。本文在总结国内外学者对海洋立管涡激振动研究现状的基础上,进一步对海洋立管涡激振动非线性问题开展相关研究,主要工作如下:(1)本文在考虑顶张力、内流及外流情况下,基于Hamilton变分及虚功原理建立了双自由度海洋立管振动控制方程,同时,采用了半经验法的尾流振子模型模拟非线性流体力,两者相互耦合得到了双自由度(立管顺流向与横流向)海洋立管涡激振动非线性控制模型。立管振动方程和尾流振子分别采用Newmark-β法和4阶Runge-Kutta法迭代求解,最后通过文献中的实验数据,对模型进行了验证,证明了本文所建立的双自由度海洋立管涡激振动非线性模型是有效的。(2)利用所建立的双自由度涡激振动非线性模型对海洋立管在不同均匀流,不同剪切流及不同顶张力等工况下进行了涡激振动非线性动力学分析。结果表明顺流向涡激振动幅值较小,但振动频率较快,约为横流向的2倍,其振动影响不可忽视;均匀流流速、顶张力大小对立管涡激振动频率及模态将造成一定规律的影响;剪切流作用下,立管涡激振动包含多个频率,振动复杂。(3)本文在所建立的双自由度海洋立管涡激振动非线性模型基础上考虑了纵横向耦合(纵:立管纵向振动;横:立管顺流向振动和横流向振动)效应及立管的纵向振动,建立了考虑纵横向耦合的三自由度(立管顺流向,横流向及纵向)海洋立管涡激振动非线性模型。此时,立管由二维模型扩展到了三维模型,同时由线性结构转变为非线性结构,导致其非线性问题更加复杂化。在求解方法中,由于纵横向耦合效应,本文对建立的的纵横向耦合非线性海洋立管振动模型采用增量形式的Newmark和Newton-Raphson联合迭代求解。最后通过算例和文献中的数据验证了本模型的有效性及准确性。(4)利用了所建立的纵横向耦合非线性立管涡激振动模型,针对大长径立管,分析了不同内流及均匀流对立管涡激振动、纵向位移和轴力的影响。结果表明,考虑纵横向耦合效应时,立管模型会变为结构非线性模型,立管模态会发生实时的改变,同时,内外流速度大小都将对立管纵向振动产生影响,轴力会随着均匀流流速的变化而发生变化。