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减少海上结构的不利振动 被动控制法性价比更高

发布于:2023-01-30 11:18:30 来自:道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

海底管道、海上风力发电机和浮动平台等海上结构可能存在各种恶劣外部荷载(例如风、海浪、涡旋脱落和地震)引起的过度振动。这些不利振动会降低结构的生产力,影响结构的可用性,甚至危及结构的安全性。因此,减少海上结构的不利振动至关重要。关于该领域已有大量研究,并且已经提出了各种各样的方法、技术。这些方法可大致分为两组,即被动控制法和主动控制法。主动控制需要外部电源来操作,这会对工程实践,特别是对在海上环境中的工程实践构成挑战,其中复杂的致动器以及额外的电源也容易出问题且成本高,并且在某些情况下,海底管道等工程非常难以实现。另一方面,被动控制装置无需外部电源,相对成本更低且使用更方便。因此,后者在海上结构振动控制中的应用更广泛。


澳大利亚科廷大学基础设施监测与保护中心(简称CIMP)已经开展,并正在开展一些关于海上结构被动振动控制的研究工作。本文重点总结了CIMP的最新研究工作:基于管中管(PIP)概念的海底管道振动控制。值得注意的是,尽管本文中呈现的应用示例对应的是采用各种研究技术的特定结构,但是这些研究技术也可应用于其他结构。例如,本文提出的PIP技术也可以用于控制风力发电场和平台的振动。


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图1 PIP系统示意图:(a)传统PIP和(b)改进PIP


基于PIP概念的海底管道振动控制


 传统PIP和改进PIP系统 


PIP系统因其优异的隔热性能而越来越多地应用在海底管道中。传统的PIP系统包括内管(产品输送管)和外管(套管)。内管用于承载产品流,外管提供机械保护以抵抗来自海水的高外部流体静压。通常由硬质聚合物环制成的定心夹具以一定间距夹合固定在内管上,以确保两管同轴。


最近,基于PIP系统特殊结构布局的优点,提出了使用专门设计的装置连接内外管进行振动控制。改进PIP系统构成结构调谐质量阻尼器(TMD)系统,外管作为主要结构,内管作为调谐质量阻尼器(TMD)(图2)。因此,这种改进的系统有可能减轻各种原因引起的管道振动。研究人员近期就PIP系统控制地震和涡旋脱落引起的海底管道振动的有效性开展了大量研究工作。


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图2 受外部荷载影响的结构调谐质量阻尼器(TMD)系统的分析模型


 利用PIP系统控制地震引起的海底管道振动 


研究中,通过数值模拟检验了利用PIP系统控制地震引起的海底管道振动的有效性。图3所示为地埋式管道系统,由于海床的非均匀性和冲刷,形成了L=30m的自由管跨。这种长度的自由管跨管道,其振动可能引起疲劳损坏并降低海底管道的使用寿命,这是海底管道资产管理的主要问题之一。为了以最小的额外成本减少振动,于是提出了改进PIP系统。第一个例子研究了使用这一概念来控制地震引起的振动的有效性。结合系统的尺寸和给定的土壤条件,计算得出外管的基本振动频率,并且使用常用的TMD优化方法,确定内外管之间连接装置的参数。


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图3 具有自由管跨的海底PIP系统


使用ANSYS分别建立了传统PIP和改进PIP系统的有限元模型。两个系统分别经受三种类型的地震动,即人工模拟地震动、近断层Loma Prieta和El Centro远场地震动。每种情况下的地震动时程分析均基于系统横向方向。图4所示分别为外管和内管的位移响应。从图中可以看出,本文所提概念对于三种类型的地震荷载均有效,最大减速比可达57.6%。结果还表明,与传统TMD系统不同,主要结构的振动受到抑制,而TMD系统的振动明显,外管(主要结构)和内管(TMD系统)的振动,由于改进PIP系统中内外管之间的质量比较大(在本例中为85.3%)而受到抑制。这实际上是本文所提PIP系统非常有利的性能特征,因为如上所述,内管用于输送碳氢化合物,内管的安全性与外管一样重要。值得注意的是,除了PIP系统的大质量比之外,系统的另一独特特征在于两管之间相对运动的空间有限,这也能大大影响控制效率。在模拟中,使用间隙元和冲击元来模拟两管之间可能发生的接触。


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图4 外管和内管的位移响应


改进的PIP系统环空中,连接装置被简化为弹簧和阻尼器。在工程实践中,粘弹性材料或带弹簧的旋转摩擦铰链阻尼器(RFHDS)可用于连接内管和外管。针对使用RFHDS连接的PIP系统的海底管道振动控制有效性进行了进一步的数值模拟。图5(a)所示为RFHSDS的布局,图5(b)为建立的有限元模型,图5(c)为阻尼器原型。从图中可以看出,RFHDS由旋转摩擦铰链阻尼器(RFHD)和弹簧组成,RFHD用于提供阻尼,弹簧提供刚度。图6所示为采用不同连接装置、经模拟受地震动的PIP系统的横向位移。从图中可以看出,RFHDS连接的PIP系统对于控制地震引起的振动是有效的,但与优化系统相比,有效性略有降低。原因在于,在优化系统中,内外管之间的相对位移被假定为环空尺寸,而在RFHDS连接的PIP系统中,结合RFHDS的尺寸考虑,相对位移仅为环空尺寸的一半。因此,TMD的功能还欠完善,进而使系统效率降低。增加环空尺寸,即通过增加外管的尺寸,虽然会增加成本,但可以提高控制效率。


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图5 RFHDS:(a)布局、(b)有限元模型和(c)原型

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图6 不同PIP系统经受模拟地震时自由管跨中部内外管的横向位移


 使用PIP控制海底管道的涡激振动 

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图7 改进PIP系统的结构和分析模型:(a)结构模型和(b)分析模型


示例验证了使用本文所提PIP系统控制海底管道VIV的有效性。在流体流中置入圆柱体时,涡旋脱落可能导致圆柱体振动,这便是涡激振动(VIV)。VIV已被广泛认定为许多海上结构的损坏原因。目前的VIV控制措施主要是在向海上结构添加外部装置(例如螺旋箍条、整流罩、镖状覆盖层、分离板和C形片、控制杆、贴板、屏蔽罩和表面粗糙度控制技术)。这些措施无疑会增加成本,在某些情况下甚至不实用。例如,护罩和轴向板条制造成本高,不易安装,易于生长海洋附生物并且易于受到严重损坏。使用改进PIP系统不涉及额外的结构或设备来控制振动,因此能够避免上述问题。CIMP通过分析、数值和实验研究,研究了使用PIP系统进行VIV控制的有效性。


先前对单个管道的实验研究验证了分析模型的准确性。图8比较了传统和优化PIP系统在不同换算速度(Ur)条件下的归一化错流波动。可以看出,优化PIP系统可以显著降低VIV,当管道纵横比为13时,最大减速比能够达到87%。


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图8 具有不同纵横比的传统和优化PIP系统的归一化横向振动幅度的比较


通过数值模拟,并结合使用ANSYS Mechanical分析软件和FLUENT有限体积解算器,建立了计算流体动力学(CFD)与流体结构相互作用(FSI)耦合算法框架,进一步检验使用PIP进行VIV控制的有效性。图9为计算域和相应的网格。靠近圆柱体时环空子域呈现细网格,远离圆柱体时则生成较大的网格(图9(b))。


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图9 3D计算区域和相应的网格


图10所示为传统和改进优化PIP系统在不同减速度下,振荡位移的归一化时程。从图中可以看出,改进系统对于减少海底管道的涡激位移非常有效。


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图10 传统和优化PIP系统在不同换算速度下的归一化振荡位移时程


改进的PIP系统可以改变外管周围尾流的3D紊流结构。图11所示为Ur=4.2时t*=53.7对应的Q等值面。可以看出,两个系统的波浪流完全呈三维形态,并且使用改进PIP系统可以明显改变外管周围波浪的涡流结构,进而导致减小位移,如图10(b)所示。


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图11 Ur = 4.2时传统和优化PIP系统周围的涡旋结构的Q等值面


在进行实验研究阶段,CIMP与西澳大学(UWA)的Tongming Zhou教授合作,在西澳大学进行了风洞试验,进一步研究本文所提方法的有效性。图12(a)和(b)所示为试验装置。外管的长度、直径和厚度分别为1600mm、80mm和3mm。外管使用四个外部可调节弹簧悬挂,这些弹簧连接到支撑钢架。内管的长度和厚度与外管的长度和厚度相同,但内管的外径为40mm。内外管的质量比为46.6%。试验中考虑了两种内外管连接方式。如图12(c)所示,一个是内外管通过螺纹杆相互刚性连接(也称作固定连接,如图13所示),另一个是通过两个内部弹簧连接(也称作柔性连接)。


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图12 实验装置概述:(a)示意图(b)照片和(c)外管和内管之间的连接

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图13 不同系统中的归一化最大振幅


PIP系统经受换算速度的风流量,即v/fnd,其中v是风速,fn是结构的基本振动频率,d是外管直径,v/fnd的范围为3-16。图13所示为不同情况下的归一化最大位移响应。可以看出,改进PIP系统最高可将VIV降低至28%。控制效果不如分析和数值研究所得效果。原因在于分析和数值研究中连接装置采用了最优值。而在试验中,环空中没有安装阻尼器,并且连接弹簧的刚度并未采取最优值。

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桥梁结构稳定与振动

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知识点:海上结构的不利振动


  • yangmei168
    yangmei168 沙发

    太好了,值得一读。

    2023-02-02 08:17:02

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这个家伙什么也没有留下。。。

桥梁工程

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