[01232794]基于非模态项分解和固有模态识别技术的海洋立管结构瞬态振动特性研究

涡激振动是一种非线性、自控和自我调节的振动过程。在此过程中,流体与弹性系统在惯性、阻尼和弹性等方面相耦合。在海洋工程中,不同水深的流速变化会导致大跨度弹性管线各部位泻涡脱落形态和瞬态响应振幅的变化,而后者的大小必然会影响结构物的疲劳损伤。在处理涡激振动问题时,把流体和弹性结构物作为统一的动力系统予以考虑,并找到两者的瞬态耦合关系,是解决这个问题的关键。瞬态结构振动分析与传统统计方法相比,其优点在于可以直接通过谱分析获得频率-能量在时间轴上的变化规律。瞬态振动分析可以更好的观察结构振动模态、瞬时振幅与泻涡发放形态之间的相互关系。因此从瞬态频率-能量分析的角度,研究泻涡脱落所引发的立管系统高、低阶固有模态振动和随机振动,具有重要的理论研究意义和实际应用价值。 本研究课题通过非模态项分解和固有模态识别技术改进,以及海洋立管物理模型实验和数值模拟仿真相结合的方法,研究波-流联合作用下,多立管系统的瞬态振动特性。从流固耦合不规则能量转换和传递的角度,对结构的瞬态振动变形和对应的瞬态泻涡脱落形态的变化做综合化分析。研究内容涉及完善非平稳过程信号分解、分析技术,提出非模态项分解准则,并对固有模态函数重新进行“窄带”再定义。另外,通过实验和数值手段,综合分析均匀流及非均匀流场中,复合动荷载作用下的弹性立管系统的模态突变、复合振动及特殊漩涡发放等现象。研究的意义在于成功将基于带通滤波原理的固有模态函数-经验模态分解方法,应用到非稳态过程信号的分解、分析中。通过分析涡激振动模态的瞬时突变、跳跃,振动能量不规则转移、不同区段漩涡发放形态的变化等规律,为多海洋管线系统的结构优化设计和结构强度及疲劳破坏提供理论参考和应用指导。 本研究项目对振动信号分析方法学提出了两项创新性的改进--非模态项分解和固有模态函数“窄带”再定义。第一项创新首次提出将非平稳振动过程信号序列分解为非模态项和平稳过程振动项的信号分解路线。为将适应于平稳过程的信号分解、分析方法,应用到非平稳振动过程信号分析中提供了技术支持;第二项创新则首次对固有模态函数的频带宽度进行窄带限定,从而保证了固有模态函数两两正交及所对应的Hilbert谱的有效性。 在海洋立管物理模型实验上的创新为将复合动荷载（均匀与非均匀外流-多向波浪）作为涡激振动诱发因素,以研究规则以及不规则排列的多弹性立管系统（前后双管体结构,1+2三管体以及2×2四管体结构）的耦合振动特性。 在海洋立管涡激振动瞬态分析方面的创新为：利用3D瞬态Hilbert谱,分析涡激振动模态瞬时突变、跳跃,振动能量不规则转移以及不同区段泻涡发放形态的变化规律;从双向流固耦合能量转换和传递的角度做综合分析;得到复合外荷载作用下,复杂系统结构的瞬时振动形态和瞬态泻涡发放规律的关系。 受该项目资助的论文“剪切流场中输油立管内流作用对结构振动形态影响研究”获得舟山市第十一届自然科学优秀论文奖一等奖。