海洋立管在洋流作用下产生涡激振动会引起疲劳破坏,现有研究表明海洋立管属于低质量比结构,在研究其振动响应时必须考虑顺流向的影响。在不同洋流形式作用下以及长径比的增加,海洋立管的相应会出现行波效应,传统的频域预报模型无法准确地进行疲劳预报。因此,在时域内对顺流向振动耦合作用下的低质量比圆柱涡激振动响应特性的研究,对于准确地预报海洋立管运动响应和疲劳损伤具有重大意义。本文基于顺流向耦合作用下的圆柱涡激振动耦合振子模型,对低质量比刚性圆柱体的参数和大长径比柔性圆柱体的响应特性进行分析。主要研究工作和结论如下:(1)长柔立管涡激振动存在行波特性,时域预报模型在计算长柔立管时具有优势,本文结合顺流向振动,基于离散点涡法通过分析尾涡振子得到流体力,并将耦合振子模型扩展至双自由度,得到考虑顺流向耦合作用下的圆柱涡激振动耦合振子模型。(2)采用摄动法对耦合模型进行求解,得到随约化速度变化的双向无量纲振幅和相位变化。频率锁定在约化速度4~8范围内,在频锁范围内顺流向和横向的振动相位发生急剧增加,振动相位角在频锁范围内存在先减小再增加的变化,始终小于180°。(3)针对刚性圆柱体涡激振动的约化速度、质量比和结构阻尼比等参数进行了讨论分析。结果表明,质量比增加引起双向振幅峰值减小,阻尼比增加引起振幅峰值减小;峰值出现在约化速度6.4处;改变运动轨迹形状的主要因素是约化速度。综合考虑流速、质量比和阻尼比对顺流向的影响,发现在低阻尼比低流速下顺流向占主导地位,而频锁范围内横向占主导地位;在高阻尼比下横向振幅占主导地位。(4)提出一种预报长柔立管的三维计算模型,对均匀流、剪切流和阶梯流等三种流动形式进行计算分析。结果表明,顺流向振动模态阶数为横向的2倍;顺流向振动频率是横向的2倍;均匀流的振动主频率最高,剪切流的振动主频率最低;立管的横向振动频率沿着轴向没有变化,顺流向振动频率出现2倍和3倍的高阶振动频率;均匀流的振动频率随时间变化较稳定,而阶梯流和剪切流随着时间会发生频率的波动。(5)计算均匀流、剪切流、阶梯流和半阶梯流等四种流动形式在不同流速下的运动响应,通过判别CC模式和C模式的运动轨迹,对行波和驻波以及能量输入区域进行了分析。行波效应主要发生顺流向运动方向,在四种流动形式下均存在行波效应。高流速时,能量输入区域为流速更大的区域,低流速时,为具有CC模式运动轨迹的区域。行波效应从能量输入区域向能量输出区域传递,高流速下边界为驻波主导,行波从边界向其他区域传递;能量输入区域存在立管中间时,行波从中间向边界传递。