相较于金属立管,复合材料立管凭借其优异的力学性能和可设计性展现出显著工程优势,但其涡激振动数值模拟研究较少。开展系统的数值模拟与振动响应研究,对充分发挥复合材料性能优势、确保深海立管系统安全运行具有重要意义。因此,本文基于Workbench平台,使用双向流固耦合方法,主要针对不同外部影响因素和不同内部影响因素开展复合材料立管数值模拟,进行了以下研究: 研究了不同顶张力作用下立管涡激振动,立管顶张力增大导致内部张力增加,结构抗变形能力增强,振动幅值显著降低。立管湿模态固有频率向高频移动,涡激振动发生概率减小;不同来流速度下,立管运动轨迹呈现近似8字形。中部区域受三维效应与端部约束耦合作用,流速增大,运动紊乱性加剧。各纤维层应力响应趋势一致。轴向铺层应力最大,环向铺层次之,斜向铺层应力最小。共振状态下,所有铺层角度应力与振幅均急剧增大;低内流流速时,立管涡激振动由外流主导,内流影响较弱。内流流速增加时,振动振幅略有增大但增幅有限,固有频率逐渐降低,不同高度位置振动相关性减弱。顺流向振幅明显小于横流向振幅,不同高度的节点运动轨迹均呈狭长8字形。 增加纤维厚度对立管的自振频率和整体承载能力影响有限,但能改善应力分布的均匀性。较厚的纤维层可减少局部应力集中现象,使载荷传递更平稳,但过度增加厚度可能导致层间剪切性能下降,需结合铺层设计综合优化;减小铺层角度可增强环向强度,提高抗内压性能,但会削弱轴向承载能力,导致抗拉性能下降;铺层顺序需根据主导荷载类型进行针对性设计,压力主导工况:将轴向拉伸层布置在内层,可有效提升抗压稳定性,减少屈曲风险。拉力主导工况:环向承压层置于内层能优化抗拉性能,避免外层纤维过早失效。综合受力工况:斜向铺层设置在增强层中间,可平衡多向应力,减少层间剥离;内衬层刚度对涡激振动抑制效果明显,内衬层刚度增大,立管的振动幅值降低,振动频率增大,内衬层受到的应力相比纤维层受到的应力更大,因此可以使用较柔软、不易破坏的材料作为内衬层。