深水钢悬链线立管顺流向非线性动力分析

孟 丹，郭海燕

（中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100）

1 引 言

随着开采水深的增加，近年来发展起来的新型立管系统—钢悬链线立管（Steel Catenary Riser）—在技术上和经济上比传统的柔性立管和顶张力立管系统有了长足的进步，成为深海油气资源开发的首选立管形式。1994年安装了世界上第一条钢悬链线立管，引起了工程界和学术界的极大关注[1-5]。钢悬链线立管作为输送油气资源的管道连接于海底和上部浮体之间，在波浪和流的作用下，不仅上部浮体产生的复杂动力响应会作用于深水海洋立管[6]，立管本身也承受着强度相当大的波浪和流的作用力。准确地预报出实际海况中钢悬链线立管的动力响应问题，对于逐渐向深海发展的海洋开采事业具有重大的意义[7]。

以往对深水海洋立管这种细长的柔性结构多采用大位移小应变的分析方法，而实际上即使对于伸展性不明显的立管结构，大应变的影响都不可忽视[8]。而且在以往的分析中，都是将外部流体的非线性作用力进行线性化，甚至忽略流体阻尼的影响，不能反映外部流体对立管振动的实际影响。因此，本文考虑深水钢悬链线立管大应变的特性以及内流的影响，采用具有弯曲刚度的细长梁模型模拟钢悬链线立管，利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。通过Hermite插值函数对动力学方程进行有限元离散。由于系统的多重非线性，系统方程的求解采用时域的逐步积分法，积分格式选用Newmark-β法。……