[发明专利]刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法

说明书

本发明公开了一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，主要包括以下步骤：1)建立横流方向与顺流方向互为耦合的振动控制方程；2)基于有限差分法对耦合的振动控制方程进行求解；3)基于分析数据，对实例进行计算分析。本发明针对刚性圆柱体横流与顺流方向耦合振动响应进行了研究。建立了完整的横流、顺流方向的耦合振动模型，用于分析同时考虑横流方向振动、顺流方向振动以及结构几何非线性的刚性圆柱体涡激振动响应预测问题。该模型以很好地模拟出结构的锁定以及位移突变现象。

技术领域

本发明涉及圆柱体涡激振动响应领域，具体地说，特别涉及一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法。

背景技术

圆柱体广泛存在于各种实际工程中，圆柱体在一定的来流中，会在结构两侧形成交替脱落的漩涡，周期性的漩涡脱落会在结构上产生周期性的拖曳力以及升力。若结构为弹性支撑，周期性的拖曳力和升力会引起结构在顺流以及横流方向产生周期性的振动，统称为“涡激振动”(Gao,Y,Fu,SX,Xiong,YM,Zhao,Y,and Liu,LM,Experimental study onresponse performance of vortex-induced vibration of a flexible cylinder,Shipsand Offshore Structures,2017,12(1):116-134)。当漩涡脱落频率出现在结构固有频率附近时，便会发生锁定现象。锁定区域内，圆柱体会发生大幅的、危险的涡激振动响应，这种响应会对结构带来很大的疲劳损伤。

现有的研究圆柱体涡激振动响应的方法主要可分为实验方法以及数值方法。与数值方法相比，实验方法得到的数据更为可靠、得到的现象更为直观，但实验方法通常研究成本较高。数值方法通常主要包括计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法(Gao,Y,Zong,Z,Zou,L,Takagi,S,Jiang,ZY,Numerical simulation of vortex-induced vibration of a circular cylinder with different surface roughnesses,Marine Structures,2018,57:165-179)以及经验模型方法。与经验模型方法相比，CFD方法的计算精度要高，但CFD方法的数值计算成本要比经验模型方法高很多。为了适应海洋工程中的多工况问题，有必要建立一种能够快速预报结构涡激振动响应主要特性的经验模型方法，而尾流振子模型方法则正是近些年广泛应用于涡激振动响应预报中的一种经验模型方法。

目前基于尾流振子模型方法对刚性圆柱体涡激振动响应的研究主要集中只考虑结构在横流方向的振动，而忽略了结构在顺流方向的振动。而实际工程中横流方向与顺流方向振动互为耦合、互相影响。在少量的同时考虑横流以及顺流方向振动响应的研究中，针对结构几何非线性对涡激振动响应的影响研究则更少。对于这种同时考虑结构几何非线性以及CF方向与IL方向互为耦合的圆柱体模型，其涡激振动响应特性有待进一步展开研究。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法。所述技术方案如下：

本发明提供了一种刚性圆柱体横流与顺流方向涡激振动耦合响应预测方法，主要包括以下步骤：

1)建立横流方向与顺流方向互为耦合的振动控制方程；

2)基于有限差分法对耦合的振动控制方程进行求解；

3)基于分析数据，对实例进行计算分析。

进一步的，所述步骤1)具体包括：

a、建立均匀来流下刚性圆柱体二自由度涡激振动耦合模型；