【摘 要】
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随着世界各国经济的不断增长,各国逐渐开始重视对海洋资源的开发利用,而海洋立管则是海洋资源开发中不可或缺的结构物。海洋立管的材料属性是制约其在深海领域应用的一个重要
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随着世界各国经济的不断增长,各国逐渐开始重视对海洋资源的开发利用,而海洋立管则是海洋资源开发中不可或缺的结构物。海洋立管的材料属性是制约其在深海领域应用的一个重要因素。传统金属海洋立管随着水深的增加由于自身重量大导致其对顶张力的要求也不断增大,从而遏制了在深海领域的应用。纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性、保温隔热性和抗疲劳性等特点,纤维复合材料海洋立管成为了一种新的发展形式,但同样面临着海洋环境诱发的涡激振动从而导致的疲劳破坏问题。相对于传统金属海洋立管,纤维复合材料海洋立管的动力特征研究还处在起步阶段,存在许多不足。本文首先考虑了立管的种类、立管的长细比以及洋流流速三种因素,利用正交试验确定结构与环境因素的组合,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,借助ANSYS Workbench平台,对这些组合进行双向流固耦合作用下的涡激振动数值模拟,得到相关数据,分析不同因素以及不同水平参数对立管涡激振动的影响。研究表明:在相同前提下,纤维复合材料海洋立管不论在横流向上的振动幅值还是在顺流向上的振动幅值,都比传统金属海洋立管大且立管越长、流速越大,立管的振动幅度也越大;纤维复合材料海洋立管所受到的整体应力小于金属海洋立管,应力最大的位置一般出现在立管的两端;通过对比两种纤维复合材料海洋立管(正交式纤维复合材料海洋立管、优化设计的纤维复合材料海洋立管)各纤维层的安全系数发现,垂直于纤维方向的应力是纤维复合材料海洋立管各纤维层破坏的主要因素,优化设计的纤维复合材料海洋立管可以更好的利用纤维的强度,提高立管的力学性能。最后利用灰色理论关联度方法,分析结构与环境共同作用的五个参数(立管种类决定的抗拉弹性模量、抗弯弹性模量;立管种类与立管的长度共同决定的顶张力;立管长细比以及洋流流速)对立管涡激振动的影响关联度,求解这五个参数对立管涡激振动影响的关联序列,发现洋流流速对立管涡激振动的影响最大,其次是立管长细比,接着是顶张力,最后是抗拉弹性模量和抗弯弹性模量。
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