地震载荷作用下动水压力对深海阀门管线系统的影响

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随着海洋油气开发技术的不断进步,世界深海油气开发取得了令世人瞩目的进展,国家对深海采油设备的技术投入不断加大,深海阀门管线系统作为水下油气生产系统中的关键部分,人们对其在复杂深海环境下的安全性和稳定性提出了更高的要求。在地震载荷作用下,深海阀门管线系统与海水相互作用产生动水压力,这不仅改变了系统的动力特性和动力响应,还增大了系统失效的概率,对系统的安全和寿命提出了严峻的考验。  本文在总结目前国内外研究水下结构考虑流固耦合作用的模态分析和地震响应分析方法的基础上,讨论研究深海阀门刚性结构与深海阀门管线柔性系统的湿模态振动特性和流固耦合地震响应,具体研究工作如下:  1.介绍了本课题的研究背景和意义,阐述了水下结构湿模态振动分析与地震响应分析的研究现状以及考虑流体与结构相互作用的分析计算方法,说明了声学有限元法和Morison公式法计算水下结构动水压力的基本理论。  2.以有限元分析软件ANSYS Workbench为模拟平台,采用声学有限元法和Morison公式法计算深海阀门刚性结构的湿模态振动特性和地震响应,研究结果表明:深海阀门湿模态的固有频率小于干模态的固有频率,水的存在使结构在外部动态激励作用下偏于不安全,声学有限元法和Morison公式法在计算结构低阶湿模态上具有相似性和一致性;在不同类型地震波作用下,地震动水压力增大了结构的动力响应。  3.考虑到实际工程条件,为确保深海阀门管线系统在安装运行期间不会发生静力破坏和涡激振动,采用动静态法计算深海阀门管线系统的临界悬跨长度,同时验证了海流力的无关性。以某悬跨长度的深海阀门管线系统为分析对象,应用声学有限元法和Morison公式法研究系统的湿模态振动特性和地震响应,研究结果表明:水的存在显著降低了系统的固有频率,湿模态分析只有低阶固有频率比较准确,区别于深海阀门刚性结构的地震响应分析结果,地震动水压力对柔性系统的动力响应影响比较明显,跨中阀体节点水平位移和加速度响应均有显著增大,声学有限元法和Morison公式法地震响应分析计算结果比较相近,在地震频发海域,不能忽视地震动水压力对水下柔性结构的影响。  4.探讨悬跨长度与支撑方式对深海阀门管线系统地震响应的影响,数值分析结果表明:悬跨长度越长,系统的动力响应越明显;在两端简支条件下,系统的动力响应越大。
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