(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210819496.X (22)申请日 2022.07.12 (71)申请人 西南石油大 学 地址 610000 四川省成 都市新都区新都大 道8号 (72)发明人 郭晓强　聂雨鑫　柳军　王普柽　 戴黎明　何玉发　李潇　 (74)专利代理 机构 深圳峰诚志合知识产权代理 有限公司 4 4525 专利代理师 胡石开 (51)Int.Cl. G06Q 10/04(2012.01) G06Q 50/02(2012.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) (54)发明名称 深海采矿水力提升管多场耦合非线性振动 预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种深海采矿水力提升管多 场耦合非线性振动预测方法， 涉及深海采矿技术 领域。 该方法包括以下步骤： 基于系统的能量分 析， 根据哈密顿变 分原理建立管柱 三自由度振动 控制方程； 流体力采用vanderPol非线性振动方 程， 通过耦合迭代求解得到提升硬管各点的涡激 振动时程响应。 该方法和实际模拟实验数据高度 吻合， 证明了本方法的准确性， 为揭示深海采矿 提升硬管振动响应奠定 了方法基础。 权利要求书4页 说明书11页 附图3页 CN 115238975 A 2022.10.25 CN 115238975 A 1.一种深海采矿水力提升管多场耦合非线性振动预测方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 以管柱顶部为坐标原点， 以管柱未发生形变时的垂直轴为z轴， 且向下为正方向； 以水 流平行方向为x轴， 以垂直于水流方向为y轴， 建立管柱的三自由度振动控制模型： 式中， mυ是管柱的单元质量， ma是单位管柱附加流体质量， mi为内部流体附加质量， υx， υy， u分别表示管柱上任一点在x、 y、 z方向上的位移， 上标 ′表示对z求一阶导数， 上标 ″表示 对z求二阶导数， 上标 ″ ″表示对z求四阶导数， 上标 ·表示对时间t求一阶导数， 上标表示对 时间t求二阶导数， ρυ为管柱密度， I为极惯性距， U是管柱内部流体流速， EI为管柱的抗弯刚 度， Di是管柱的内径， f为由流体粘性引起的摩擦系数， ρi是管柱内部 流体密度， A为 管柱的横 截面积， E为管柱材料 的弹性模量， c＝2Mcωs， MC为中间仓质量， M为管柱 质量， L为管柱长度； 建立流体力分析模型： 式中， FD为拖曳力， FL为升力， ρw为外部流体密度， UC为外部流体流速， Do是管柱外径， 为稳态拖曳力系数， qx， qy分别为顺流向和横流向无量纲尾流振子变量， Cl为脉动升力系数； 建立尾流振子控制方程： 式中， εx, εy,Ax,Ay均为实验确定的无量纲参 量； 结合三自由度振动控制模型、 流体力分析模型和尾流振子控制方程可得管柱的非线性 振动控制模型：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115238975 A 2建立边界条件： u(0,t)＝uboat(t) υx(0,t)＝0 υy(0,t)＝0 EI υ″x|(0,t)＝0,EI υ″x|(L,t)＝0,EI υ″Y|(0,t)＝0,EI υ″y|(L,t)＝0 采用三次Hermit插值函数对管柱进行离散并进行矩阵组装得到管柱振动控制矩阵方 程， 后采用Newmark ‑β 法和NewtonRaphson法对管柱振动控制矩阵方程进行联合求解， 同时 采用4阶Runge ‑Kutta求解尾流振子模型。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在 于， 所述尾流振子控制模型中， Ax＝48,Ay＝12, εx＝1.2, εy＝0.3,C′d＝0.3,C′l＝0.4。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述管柱振动控制矩阵方程通过如下过程 建立： 采用三次Hermit插值 函数将管柱离 散为N个单元， 单元长度为 l， 得到： 式中， 进行表示管柱在x,y,z三个方向的位移，权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115238975 A 3