申请/专利权人：武汉理工大学

申请日：2023-09-08

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN117113777B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06T17/20;G06F119/14;G06F119/08;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2023.12.12#实质审查的生效;2023.11.24#公开

摘要：本发明涉及一种考虑内流的钻柱涡激振动计算方法，首先基于切片理论和有限元方法，将钻柱结构离散为有限个梁单元，在单元节点处获取流场载荷，通过Newmark‑β方法求解结构动力学方程，实现钻柱结构振动响应的离散求解；在欧拉‑伯努利梁理论的基础上，对钻柱结构动力学方程添加科氏力和离心力两项，实现钻柱含内流问题求解；采用“刚性随动区域+动网格区域+静网格区域”的思路建立网格，动网格采用弹簧光顺模型和网格重构模型。通过Fluent中流体域和UDF程序中的固体域之间数据交互和循环迭代求解实现了流固耦合计算。本发明提供可准确反应含内流钻柱涡激振动响应情况，为海洋无立管含内流钻柱的涡激振动机理和响应特性分析提供基础。

主权项：1.一种考虑内流的钻柱涡激振动计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于切片理论与欧拉-伯努利梁理论，将含内流三维钻柱沿其轴向将三维流场空间与梁单元等份离散，每个梁单元节点与离散的二维流场相对应；S2、建立二维计算模型，确定计算参数和边界条件；S3、对已经建立好的二维计算模型进行区域划分，其区域划分为随动区、网格重构区、尾流区和外流区；确定不同区域的网格尺寸大小并对不同区域进行网格划分；通过建立好的模型，沿钻柱轴向将网格模型进行复制；对网格模型导入Fluent软件中；S4、编译UDF二次开发程序，对离散的钻柱模型进行结构动力学求解；在UDF程序中设定钻柱动力学参数，将设定好的UDF程序导入Fluent软件；S5、在Fluent软件中对流场设定计算参数、边界条件和求解参数；S6、通过Fluent软件对二维流场模型进行求解，求解后得到不同时间步的流场特性，并获取每个钻柱表面载荷；S7、通过UDF计算每个二维流场结构所受力，将受力输入钻柱结构动力学控制方程；基于Newmark-β法，离散求解结构动力学方程，得到结构的位移、速度、加速度；基于欧拉-伯努利梁理论，在不考虑内流时，钻柱的结构动力学方程为： 其中：Tz＝Tt-ωsL-z为钻柱轴向张力，Tt为顶端预张力，L为立管长度，ωs为浸没在水中的钻柱单位长度的重量；ms为钻柱单位长度质量，c为结构阻尼系数；x为钻柱顺流向方向位移；y为钻柱横流向方向位移；z为钻柱轴向方向位移；E为钻柱弹性模量；I为钻柱截面惯性矩；t为时间；fx为钻柱顺流向所受载荷；fy为钻柱横流向所受载荷；当考虑内流对钻柱影响时，钻柱弯曲振动会产生离心力和科氏力，离心力和科氏力会改变钻柱的结构动力特性，钻柱的结构动力学方程变为： 其中：mi为钻柱单位长度内水的质量；V为内流速度；基于欧拉-伯努利梁理论，对上述钻柱结构动力学方程进行离散得到： 其中：[M]、[C]、[K]分别为钻柱结构的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，和{xt}为钻柱顺流向的加速度向量、速度向量和位移向量，和{yt}为钻柱横向的加速度向量、速度向量和位移向量；{Fxt}为钻柱顺流向的载荷向量，{Fyt}为钻柱横向的载荷向量；S8、通过编译的UDF将上述步骤S7中结构的速度传递给步骤S6中的钻柱，并将旋转角速度赋予钻柱以及步骤S3中的随动区域，实现其位移和旋转；S9、通过Fluent中动网格模型实现步骤S3中的网格重构区域的网格边界随钻柱边界的运动以及网格的更新；S10、将计算得到的包括钻柱的顺流向位移、横流向位移、升力和阻力在内的计算结果通过编译的UDF和Fluent软件输出；S11、将步骤S10中的各种计算结果作为判断钻柱振动是否达到稳定的依据，如果钻柱振动达到稳定，则结束计算；反之，继续求解下一时间步的流场结果，将上述的步骤S6～S11进行重复，直至钻柱振动达到稳定。

全文数据：

权利要求：

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