[發明專利]一種不同邊界條件下帶內流柔性管道固有頻率的預測方法

有效

• 申請號: 202010987423.2
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112100892B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 高云;張壯壯;姜澤成;彭庚;潘港輝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F17/16;G06F17/13;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 深圳匯策知識產權代理事務所(普通合伙) 44487
• 代理人: 遲芳

一種不同邊界條件下帶內流柔性管道固有頻率預測方法。目前在考慮內部運動的流體的情況下，難以準確可靠地估算帶內流運動立管的固有頻率。本發明首先基于彈性體虛功原理建立內外流耦合激勵下的柔性管道振動偏微分方程，然后基于伽遼金法將柔性管道的振動偏微分方程轉化為常微分方程，再將基于特征值法得到不同邊界條件下帶內流運動的柔性管道振動固有頻率，最后基于分析數據，對實例進行計算分析，從而預測固有頻率隨無量綱內流速度的變化關系的過程。本發明用于海洋工程領域中。

技術領域

本發明涉及一種預測方法，屬于電數字數據處理技術領域。

背景技術

海洋蘊含著極其豐富的油氣資源，這些豐富的油氣資源不僅是未來世界經濟與科技發展的重點，同時也是影響經濟全球化的重要因素之一。為了加快我國對海洋油氣資源的開發進度，國家已明確提出了“提高海洋資源開發能力、促進海洋經濟發展、維護國家海洋權益、推進海洋強國戰略”的發展目標。立管是深水海洋油氣開發中必不可少的設備，同時也是海洋油氣開發系統中最為薄弱的結構之一。因此，有必要對立管進行安全可靠的設計。在早期設計過程中，為了避免流體激勵與結構響應發生共振現象，需要滿足：立管的固有頻率應避開流體激勵(波浪以及海流等)的主頻率區。

因此，對立管的固有頻率進行準確估算顯得尤為重要。目前絕大多數針對柔性圓柱體固有頻率的研究，均是基于僅考慮外流激勵展開，并沒有考慮內部運動的流體。此時，外流激勵對立管產生的載荷主要包括三部分：由尾部流場漩渦發放引起的升力和阻尼力、以及由結構外部流體引起的附加質量力；結構固有頻率只與阻尼力和附加質量力有關，與升力無關。而對于真實的海洋油氣運輸立管，除了承受外部海流激勵外，還得承受內部流體激勵。運動的內部流體對立管產生的載荷同樣包括三部分：內流慣性力、內流科氏力以及內流離心力，且這三部分載荷均會改變立管固有頻率屬性以及大小。因此為了更為準確可靠地估算帶內流運動立管的固有頻率，必須得考慮內部運動的流體，但目前在考慮內部運動的流體的情況下，缺少準確可靠地估算帶內流運動立管的固有頻率的相關方法。

發明內容：

針對上述問題，本發明公開了一種不同邊界條件下帶內流柔性管道固有頻率的預測方法。

本發明所采用的技術方案為：

一種不同邊界條件下帶內流柔性管道固有頻率的預測方法，所述預測方法首先基于彈性體虛功原理建立內外流耦合激勵下的柔性管道振動偏微分方程，然后基于伽遼金法將柔性管道的振動偏微分方程轉化為常微分方程，再將基于特征值法得到不同邊界條件下帶內流運動的柔性管道振動固有頻率，最后基于分析數據，對實例進行計算分析，從而預測固有頻率隨無量綱內流速度v的變化關系的過程。

作為優選方案：所述預測方法包括以下步驟：

步驟一：建立內外流耦合激勵下柔性管道結構振動偏微分方程：

取一長度為L、直徑為D的柔性管道，柔性管道在外部均勻來流U_e以及內部均勻來流U_i耦合作用下產生的頻率為固有頻率，柔性管道的單位長度管道質量為m_r，柔性管道單位長度內部流體質量為m_i，柔性管道單位長度外部流體附加質量為m_f；

建立坐標系：柔性管道的底面中心點為坐標原點，x軸方向為外部來流方向，z軸方向為內流流動方向，y軸方向為橫流振動方向，依據柔性管道彈性體虛功原理建立表達式為：

δU_a+δU_b＝δW_L+δW_c+δW_in??(1)