一种钻井隔水管的固有频率计算方法技术

本发明专利技术涉及一种钻井隔水管的固有频率计算方法，提供一种既可以解决变张力梁式结构的固有频率计算问题、又可以解决传递矩阵法计算钻井隔水管的柔性接头模拟问题和非标准立管段模拟问题的固有频率计算方法。本发明专利技术采用复杂弯曲的挠曲线函数建立场矩阵，得到了考虑轴力的场矩阵，在建立柔性接头和非标准立管段的传递矩阵时既考虑质量又考虑转动惯量和尺寸并忽略变形，具有比现有的解析法和传递矩阵法计算精度更高、比有限元方法更简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种钻井隔水管的固有频率计算方法
本专利技术属于钻井
，尤其涉及一种钻井隔水管的固有频率计算方法。
技术介绍
钻井隔水管是海洋深水钻井的泥浆循环系统，为了缓解由于浮式平台运动引起的受力和变形和保持泥浆的循环压力和速度，钻井隔水管上配备了伸缩接头、填充阀、分流器和柔性接头等非标准立管段。目前，计算钻井隔水管固有频率主要采用考虑轴向力影响的均质等截面梁固有频率计算公式或有限元方法来计算，均值等截面梁的固有频率计算公式(1)不能考虑轴力沿梁长的变化。而有限元方法则需要编制有++限元程序或采用商用软件计算，不便于操作，因此，在结构的初设阶段，技术人员通常采用公式(1)进行计算，从而对钻井隔水管的固有频率作出大概的估计。式中：m——梁单位长度的质量；EI——梁的截面抗弯刚度；T——梁的轴力；L——梁长。现有的传递矩阵法采用公式(2)的单元传递矩阵，不仅不能考虑轴力的影响，而且不能考虑钻井隔水管的柔性接头和非标准立管段的影响。因此，不适用与钻井隔水管固有频率计算。由于重力和浮力的影响，钻井隔水管的张力沿水深是变化的。目前计算固有频率的解析法是作为常数来处理，传递矩阵法则忽略张力。柔性接头的抗弯刚度远远小于钻井隔水管中的其它构件，因此，对结构的整体刚度有较大的影响，在柔性接头处，转角变形是不连续的，即曲率不连续。对于安装在端部的柔性接头，目前主要采用铰支座来模拟，而对于安装在中部的柔性接头(包括分流器柔性接头)，则忽略其影响。钻井隔水管除了标准立管段外，还连接了一些非结构的工艺构件，如填充阀、分流器和伸缩接头等。这些构件的质量和刚度均远远大于标准立管段，且具有一定的长度。目前计算固有频率时是按标准立管段计算的，因此，计算结果的准确性很差。综上所述，现有技术并不能考虑钻井隔水管张力的变化对固有频率的影响，也不能考虑柔性接头盒非标准立管段对固有频率的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种既可以解决变张力梁式结构的固有频率计算问题、又可以解决传递矩阵法计算钻井隔水管的柔性接头模拟问题和非标准立管段模拟问题的固有频率计算方法。本专利技术为实现上述目的采用的技术方案是：一种钻井隔水管的固有频率计算方法，计算步骤如下：(1)首先按照非标准立管段的上端接头作为一个结点、其它结点根据单元长度尽可能相等的原则设置在管段的接头处、非标准立管段与其下端的柔性接头和与柔性接头连接的标准立管段划分为一个单元、若柔性接头位于非标准立管段的上端则该柔性接头应与其上端的标准立管段划分为一个单元的原则将钻井隔水管划分单元；(2)根据单元划分结果，分别计算每个单元的传递矩阵，并按照钻井隔水管自下而上的单元排列顺序计算系统的传递矩阵：[T]＝[Tr-f][Tp-f]n[Tp-f]n-1…[Tr-θ-f][Tp-f]n-i…[Tp-f-θ]；(3)将边界条件带入步骤(2)的公式中；(4)采用迭代方法求出传递矩阵中η，并计算固有频率；进一步地，采用梁的复杂弯曲挠曲线方程构造标准立管段单元的场矩阵：式中：li-标准立管段单元长度；其中，Ti为第i个标准立管段单元的张力，(EI)i为第i个标准立管段单元的截面抗弯刚度；再进一步地，梁的复杂弯曲挠曲线方程：式中：yL–梁左端的挠度；θL–梁左端的转角；ML–梁左端的弯矩；NL–梁左端的剪力。进一步地，对于柔型接头和非标准立管段，根据其两端的位移、转角、弯矩和剪力关系可分别建立柔性接头的传递矩阵：和非标准立管段的传递矩阵：式中：为第j个柔性接头转动刚度；γk＝Jkω2，其中，Jk为第k个非标准立管段绕质心的转动惯量，ω为梁的固有频率；ηk＝mkω2，其中，mk为第k个非标准立管段的质量加上与其连接的两端标准立管段单元总质量的二分之一，lk为第k个非标准立管段的长度；进一步地，两单元连接处的点矩阵为：式中：ηi＝miω2，其中，和分别为第i和第i+1个标准立管段的单位长度质量，li和li+1分别为第i和第i+1个标准立管段的长度；进一步地，对于标准立管段单元，其单元的传递矩阵等于点矩阵与场矩阵的乘积：[Tp-f]i＝[Tp]i[Tf]i；进一步地，对于有柔性接头的标准立管段单元，其单元的传递矩阵等于点矩阵、场矩阵和柔性接头传递矩阵的乘积，柔性接头在标准立管段的下端时：[Tp-f-θ]i＝[Tp]i[Tf]i[Tθ]j；进一步地，对于有柔性接头的标准立管段单元，其单元的传递矩阵等于点矩阵、场矩阵和柔性接头传递矩阵的乘积，柔性接头在标准立管段的上端时：[Tp-θ-f]i＝[Tp]i[Tθ]j[Tf]i；进一步地，对于有非标准立管段的单元，非标准立管段应位于标准立管段的上端，其单元的传递矩阵等于非标准立管段传递矩阵和场矩阵的乘积：[Tr-f]i＝[Tr]k[Tf]i；进一步地，对于非标准立管段与标准立管段之间有柔性接头的单元，其单元的传递矩阵等于非标准立管段传递矩阵、柔性接头传递矩阵和场矩阵的乘积：[Tr-θ-f]i＝[Tr]k[Tθ]j[Tf]i。本专利技术的有益效果：(1)建立了一种考虑张力变化的钻井隔水管固有频率计算方法；(2)建立了一种考虑柔性接头和非标准立管段影响的钻井隔水管固有频率计算方法；(3)建立了一种非均质非等截面的梁结构传递矩阵法。本专利技术采用复杂弯曲的挠曲线函数建立场矩阵，得到了考虑轴力的场矩阵，在建立柔性接头和非标准立管段的传递矩阵时既考虑质量又考虑转动惯量和尺寸并忽略变形，具有比现有的解析法和传递矩阵法计算精度更高、比有限元方法更简单的优点。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：一种钻井隔水管的固有频率计算方法，采用梁的复杂弯曲挠曲线方程：来构造标准立管段单元(可以是一根标准立管或其一部分，也可以是多根标准立管段)的场矩阵：式中：li-标准立管段单元长度；其中，Ti为第i个标准立管段单元的张力，(EI)i为第i个标准立管段单元的截面抗弯刚度。对于柔性接头和非标准立管段，根据其两端的位移、转角、弯矩和剪力关系可分别建立柔性接头的传递矩阵：和非标准立管段的传递矩阵：式中：第j个柔性接头转动刚度；γk＝Jkω2，其中，Jk为第k个非标准立管段绕质心的转动惯量，ω为梁的固有频率；ηk＝mkω2，其中，mk为第k个非标准立管段的质量加上与其连接的两端标准立管段单元总质量的二分之一，lk为第k个非标准立管段的长度。注意，不要在非标准立管段与标准立管段连接处设置结点(结点两端为两个单元)，即不要将非标准立管段与标准立管段连接处拆分为两个单元。两单元连接处的点矩阵为：式中：ηi＝miω2，其中，和分别为第i和第i+1个标准立管段的单位长度质量，li和li+1分别为第i和第i+1个标准立管段的长度。对于标准立管段单元，其单元的传递矩阵等于点矩阵与场矩阵的乘积：[Tp-f]i＝[Tp]i[Tf]i(8)对于有柔性接头的标准立管段单元，其单元的传递矩阵等于点矩阵、场矩阵和柔性接头传递矩阵的乘积，柔性接头在标准立管段的下端时：[Tp-f-θ]i＝[Tp]i[Tf]i[Tθ]j(9)柔性接头在标准立管段的上端时：[Tp-θ-f]i＝[Tp]i[本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻井隔水管的固有频率计算方法，其特征在于，计算步骤如下：(1)首先按照非标准立管段的上端接头作为一个结点、其它结点根据单元长度尽可能相等的原则设置在管段的接头处、非标准立管段与其下端的柔性接头和与柔性接头连接的标准立管段划分为一个单元、若柔性接头位于非标准立管段的上端则该柔性接头应与其上端的标准立管段划分为一个单元的原则将钻井隔水管划分单元；(2)根据单元划分结果，分别计算每个单元的传递矩阵，并按照钻井隔水管自下而上的单元排列顺序计算系统的传递矩阵：[T]＝[T

【技术特征摘要】
1.一种钻井隔水管的固有频率计算方法，其特征在于，计算步骤如下：(1)首先按照非标准立管段的上端接头作为一个结点、其它结点根据单元长度尽可能相等的原则设置在管段的接头处、非标准立管段与其下端的柔性接头和与柔性接头连接的标准立管段划分为一个单元、若柔性接头位于非标准立管段的上端则该柔性接头应与其上端的标准立管段划分为一个单元的原则将钻井隔水管划分单元；(2)根据单元划分结果，分别计算每个单元的传递矩阵，并按照钻井隔水管自下而上的单元排列顺序计算系统的传递矩阵：[T]＝[Tr-f][Tp-f]n[Tp-f]n-1…[Tr-θ-f][Tp-f]n-i…[Tp-f-θ]；(3)将边界条件带入步骤(2)的公式中；(4)采用迭代方法求出传递矩阵中η，并计算固有频率。2.如权利要求1所述的一种钻井隔水管的固有频率计算方法，其特征在于，采用梁的复杂弯曲挠曲线方程构造标准立管段单元的场矩阵：式中：li-标准立管段单元长度；其中，Ti为第i个标准立管段单元的张力，(EI)i为第i个标准立管段单元的截面抗弯刚度。3.如权利要求2所述的一种钻井隔水管的固有频率计算方法，其特征在于，梁的复杂弯曲挠曲线方程：式中：yL–梁左端的挠度；θL–梁左端的转角；ML–梁左端的弯矩；NL–梁左端的剪力。4.如权利要求1所述的一种钻井隔水管的固有频率计算方法，其特征在于，对于柔型接头和非标准立管段，根据其两端的位移、转角、弯矩和剪力关系可分别建立柔性接头的传递矩阵：和非标准立管段的传递矩阵：式中：为第j个柔性接头转动刚度；γk＝Jkω2，其中，Jk为第k个非标准立管段绕质心的转动惯量，ω为梁的固有频率；ηk＝mkω2，其中，mk为第k个非标准立管段...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄维平，宋虹，付学鹏，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37