本發(fā)明屬于海洋設(shè)備振動(dòng)分析，具體涉及一種基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法。

背景技術(shù)：

1、深海海底蘊(yùn)藏著品質(zhì)較高，資源量豐富的礦產(chǎn)資源。由此，海洋大國(guó)都在大力發(fā)展深海采礦行業(yè)，而開(kāi)發(fā)深海礦產(chǎn)資源需要復(fù)雜的開(kāi)采系統(tǒng)，即深海采礦系統(tǒng)。

2、深海采礦系統(tǒng)是用于在深海海底進(jìn)行礦產(chǎn)資源開(kāi)采的一套綜合性系統(tǒng)。現(xiàn)有的常見(jiàn)深海采礦系統(tǒng)通常包括采礦船、深海采礦管、提升設(shè)備、中間倉(cāng)等部分。其中，采礦船用于在海面上進(jìn)行作業(yè)控制和支持；深海采礦管連接采礦船和海底礦床，用于將開(kāi)采的礦石或礦物輸送到海面；提升設(shè)備用于將海底的礦產(chǎn)提升到采礦船上；中間倉(cāng)則在采礦過(guò)程中起到儲(chǔ)存或緩沖的作用。由于深海采礦系統(tǒng)在工作中會(huì)面臨著復(fù)雜的海流情況，因此會(huì)對(duì)深海采礦管造成較大影響。其中，渦流誘導(dǎo)振動(dòng)(viv)是深海采礦管疲勞損傷的主要來(lái)源，而深海采礦管在深海采礦系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，承擔(dān)著礦物運(yùn)輸?shù)闹匾?zé)任，所以對(duì)管道進(jìn)行渦激振動(dòng)的特性分析是重要的。

3、在運(yùn)行過(guò)程中，深海采礦管上端與水面船體結(jié)構(gòu)相連，下端與水下采礦車(chē)通過(guò)軟管相連。因此，它具有自由懸掛、長(zhǎng)徑比大、底部約束弱等特點(diǎn)；與兩端鉸接的傳統(tǒng)立管相比，深海采礦管的渦流誘發(fā)振動(dòng)響應(yīng)更為復(fù)雜。以往的許多研究都是聚焦于兩端鉸接的傳統(tǒng)立管，所以關(guān)于傳統(tǒng)立管的數(shù)值模型相對(duì)成熟；而對(duì)這種自由端約束的深海采礦管數(shù)值模型分析研究相對(duì)較少。

4、目前，深海采礦管渦激振動(dòng)研究中，有使用離散渦方法(dvm)對(duì)采礦管進(jìn)行渦激振動(dòng)分析的情況。這其中，dvm的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是它不需要網(wǎng)格化計(jì)算域，這使得它在模擬復(fù)雜幾何形狀時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。然而，dvm也有其局限性，因?yàn)樵谶吔缣幚砩洗嬖谌毕?，這將導(dǎo)致數(shù)值結(jié)果的不穩(wěn)定和計(jì)算精度大幅度下降；并且無(wú)法滿足瞬時(shí)環(huán)量守恒的條件，即在模擬過(guò)程中環(huán)量的變化無(wú)法得到準(zhǔn)確的保持，這進(jìn)一步影響了計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。

5、綜上，為了使深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析占用資源較少，并能提供較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，還需要對(duì)深海采礦管的渦激振動(dòng)分析方法進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供了一種基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，以解決上述問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供了一種基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，步驟包括：

4、s1、基于深海采礦管的幾何結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元法建立深海采礦管的結(jié)構(gòu)模型；

5、s2、通過(guò)切片法建立深海采礦管流體域的流場(chǎng)模型；

6、基于所述流場(chǎng)模型計(jì)算得流體控制方程，求解所述流體控制方程獲得流場(chǎng)作用于深海采礦管的流場(chǎng)作用力；

7、s3、基于所述結(jié)構(gòu)模型和所述流場(chǎng)作用力建立深海采礦管的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)數(shù)值求解法求解所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型獲得所述深海采礦管的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；

8、s4、基于所述流場(chǎng)作用力和所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)所述流場(chǎng)模型和所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行耦合，獲得深海采礦管渦激振動(dòng)模型；

9、對(duì)所述深海采礦管渦激振動(dòng)模型求解，獲得所述深海采礦管的渦激振動(dòng)特性參量。

10、進(jìn)一步地，所述深海采礦管的管體劃分多個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)；

11、所述有限元節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為所述切片法劃分的切片數(shù)量的4-6倍。

12、進(jìn)一步地，所述s2中，所述流場(chǎng)模型建立過(guò)程包括：

13、劃分流體域?yàn)槎鄠€(gè)流場(chǎng)切片；

14、在每片流場(chǎng)切片上通過(guò)重疊網(wǎng)格技術(shù)和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

15、更進(jìn)一步地，所述流場(chǎng)切片的網(wǎng)格劃分中，前景網(wǎng)格為o型切分網(wǎng)格。

16、進(jìn)一步地，所述s2中，通過(guò)連續(xù)性方程和n-s方程求解所述流體控制方程。

17、進(jìn)一步地，所述s3中，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為梁模型；

18、所述梁模型中，兩節(jié)點(diǎn)間的管體等效為梁?jiǎn)卧?，且上端鉸接，下端自由設(shè)置。

19、更進(jìn)一步地，所述s3中，所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)求解步驟包括：

20、s31、離散計(jì)算各單元?jiǎng)偠染仃?、質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和荷載列向量；

21、s32、基于所述s31計(jì)算結(jié)果，組合計(jì)算管體整體剛度矩陣、質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和荷載列向量；

22、s33、將所述s32的計(jì)算結(jié)果代入所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，并通過(guò)newmark-beta法求迭代求解獲得所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

23、進(jìn)一步地，所述s4中，耦合過(guò)程包括：

24、將所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)同步代入所述流體控制方程中，并更新所述流場(chǎng)作用力；

25、將更新后所述流場(chǎng)作用力代入所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，并更新所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

26、進(jìn)一步地，還包括：

27、基于實(shí)驗(yàn)或模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證所述渦激振動(dòng)特性參量，并通過(guò)參數(shù)校準(zhǔn)法對(duì)所述深海采礦管渦激振動(dòng)模型進(jìn)行修正。

28、進(jìn)一步地，還包括：

29、提取所述渦激振動(dòng)特性參量，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化法繪制所述深海采礦管的橫流向瞬時(shí)無(wú)量綱位移包絡(luò)線、順流向瞬時(shí)無(wú)量綱位移包絡(luò)線、位移響應(yīng)歷時(shí)曲線、質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡和頻率振幅示意圖。

30、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

31、本發(fā)明通過(guò)切片法劃分流體域結(jié)合管體數(shù)值模擬方法構(gòu)建了深海采礦管渦激振動(dòng)分析新模型；在保證采礦管模型具有較高的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度的同時(shí)，不需要對(duì)整個(gè)流場(chǎng)域進(jìn)行全部的網(wǎng)格劃分，大大的減少了所需要的計(jì)算資源；管體基于有限元法建立相應(yīng)的模型計(jì)算，并經(jīng)過(guò)模型偶合后，可最大程度上擬合了三維立管的特性。

技術(shù)特征：

1.一種基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述深海采礦管的管體劃分多個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述s2中，所述流場(chǎng)模型建立過(guò)程包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述流場(chǎng)切片的網(wǎng)格劃分中，前景網(wǎng)格為o型切分網(wǎng)格。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述s2中，通過(guò)連續(xù)性方程和n-s方程求解所述流體控制方程。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述s3中，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為梁模型；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述s3中，所述運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)求解步驟包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，所述s4中，耦合過(guò)程包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，還包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其特征在于，還包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于深海采礦管渦激振動(dòng)的特性分析方法，其步驟包括：S1、建立深海采礦管的結(jié)構(gòu)模型；S2、通過(guò)切片法建立流場(chǎng)模型，并獲得流場(chǎng)作用于深海采礦管的流場(chǎng)作用力；S3、建立深海采礦管的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，求解運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；S4、對(duì)流場(chǎng)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行耦合，以獲得深海采礦管的渦激振動(dòng)特性參量。本發(fā)明通過(guò)切片法劃分流體域結(jié)合管體數(shù)值模擬方法構(gòu)建了深海采礦管渦激振動(dòng)分析新模型；在保證采礦管模型具有較高的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度的同時(shí)，不需要對(duì)整個(gè)流場(chǎng)域進(jìn)行全部的網(wǎng)格劃分，大大的減少了所需要的計(jì)算資源；管體基于有限元法建立相應(yīng)的模型計(jì)算，并經(jīng)過(guò)模型偶合后，可最大程度上擬合三維立管的特性。

技術(shù)研發(fā)人員：吳祥釗,桑松,張錦濤,劉福港
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)海洋大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23