海洋柔性立管線型基本設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、海洋柔性管道常常懸掛于浮體之下，以立管形式進(jìn)行服役或鋪設(shè)。此時(shí)，柔性管道不僅需承受管道自身、內(nèi)部輸送流體以及附屬構(gòu)件的重力、浮力等功能性荷載，還會(huì)受到波浪、流、浮體運(yùn)動(dòng)等環(huán)境荷載的作用，可能出現(xiàn)過度拉伸、彎曲、疲勞，以及與其他物體碰撞等失效。因此，需要將給定的柔性管道設(shè)計(jì)成一定的幾何形態(tài)，布置于水下空間，并借助附屬構(gòu)件對(duì)立管的整體形態(tài)和局部變形進(jìn)行控制，以避免發(fā)生上述失效，此項(xiàng)工作稱之為“線型設(shè)計(jì)”。中國(guó)的柔性立管線型設(shè)計(jì)長(zhǎng)期依賴國(guó)外公

2、司，不僅設(shè)計(jì)成本高昂，而且制約了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。在國(guó)家“十二五”863項(xiàng)目——“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA09A212）的支持下，論文系統(tǒng)研究并掌握了柔性立管線型和附屬構(gòu)件基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)分析的理論與實(shí)現(xiàn)方法。
　　柔性立管線型的基本設(shè)計(jì)是確定立管空間布局、整體幾何參數(shù)，并對(duì)附屬構(gòu)件提出需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前工程界常用試算法進(jìn)行上述設(shè)計(jì)，即依據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)初步給出上述關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，再針對(duì)各類可能失效模式進(jìn)行校核;若設(shè)計(jì)不

3、滿足所有的失效準(zhǔn)則要求，則返回修改設(shè)計(jì)參數(shù)，直至獲得可行設(shè)計(jì)。隨著柔性立管應(yīng)用向超深水(水深≥1500m)、極淺水(水深≤50m)不斷拓展，其線型設(shè)計(jì)的變量較多、荷載工況數(shù)量龐大、失效模式多樣，以及整體分析昂貴的問題更加突顯。上述問題不僅造成使用傳統(tǒng)試算設(shè)計(jì)方法效率低、成本高，甚至于無法獲取可行設(shè)計(jì);也為引入耦合設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)方法帶來了挑戰(zhàn)。為此，本文針對(duì)柔性立管在位與鋪設(shè)線型的基本設(shè)計(jì)的方法展開了研究，主要工作如下:

4、　　(1)針對(duì)當(dāng)前柔性立管的線型和附件設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，存在設(shè)計(jì)迭代次數(shù)多且不利于總體性能優(yōu)化的問題，本文提出柔性立管線型與附件集成的設(shè)計(jì)方法以克服上述難題?；谌嵝粤⒐芫€型、防彎器和浮筒設(shè)計(jì)的力學(xué)原理，使用簡(jiǎn)化、高效的理論分析方法在基本設(shè)計(jì)階段進(jìn)行線型和附件的集成設(shè)計(jì);然后使用有限元?jiǎng)恿W(xué)分析軟件，對(duì)獲得的線型與附件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。上述集成設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)柔性立管線型與附件的同步設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)、提高設(shè)計(jì)效

5、率，并且有利于獲取綜合性能更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。本文以一個(gè)超深水（1500米）柔性立管線型的設(shè)計(jì)案例，實(shí)踐了上述集成設(shè)計(jì)方法;并且通過同步修正線型與附件，綜合提升了此立管的抗疲勞性能。
　　(2)針對(duì)極淺水柔性立管線型設(shè)計(jì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)高度非線性、動(dòng)力響應(yīng)顯著而必須使用非線性時(shí)域動(dòng)態(tài)分析，并且因?yàn)榇嬖诙喾N關(guān)鍵失效模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)可行域較小、難以搜尋可行設(shè)計(jì)的問題，本文提出了基于代理模型的柔性立管線型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過建立代理模型代替昂貴的立管線型

6、非線性時(shí)域分析;同時(shí)構(gòu)造優(yōu)化數(shù)學(xué)列式，借助優(yōu)化算法代替人工試算，從而實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。以一個(gè)極淺水陡波型立管的設(shè)計(jì)作為案例，取線型各段特征長(zhǎng)度作為設(shè)計(jì)變量，以動(dòng)態(tài)極值曲率響應(yīng)作為優(yōu)化目標(biāo)，以管體結(jié)構(gòu)失效作為約束條件，建立了該立管線型優(yōu)化數(shù)學(xué)列式;進(jìn)而，使用優(yōu)化拉丁超立方方法抽樣，并對(duì)樣本進(jìn)行非線性時(shí)域分析，構(gòu)造了變量與響應(yīng)之間基于徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)的代理模型;使用多島遺傳算法與非線性二次規(guī)劃法(

7、NLPQL)混合的優(yōu)化算法，兼顧全局尋優(yōu)性與優(yōu)化求解效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。算例顯示，即使在所有抽取的樣本均不滿足曲率設(shè)計(jì)約束的條件下，使用上述方法仍以較高精度獲取一個(gè)滿足所有失效約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　(3)本文以柔性立管典型的緩波線型為研究對(duì)象，發(fā)展了一種使用線型各特征段端部角度作為設(shè)計(jì)變量的基本設(shè)計(jì)方法，稱為“角度設(shè)計(jì)法”。區(qū)別于傳統(tǒng)的、以線型各關(guān)鍵長(zhǎng)度作為設(shè)計(jì)變量的方法，角度設(shè)計(jì)法具備設(shè)計(jì)變量獨(dú)立、無量綱且易于控制線型幾何形態(tài)等優(yōu)

8、點(diǎn)，可以有效避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的大量產(chǎn)生幾何不可行樣本、浪費(fèi)計(jì)算資源的問題，從而提升了立管線型的基本設(shè)計(jì)效率。首先闡述了角度設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)理論與流程，然后使用參數(shù)化方程實(shí)現(xiàn)角度設(shè)計(jì)，通過調(diào)用行業(yè)認(rèn)可的柔性立管線型數(shù)值分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。角度設(shè)計(jì)法對(duì)緩波線型設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化與效率提升，為引入基于“順應(yīng)性”的設(shè)計(jì)方法提供了實(shí)施基礎(chǔ)。進(jìn)而，本文探討了柔性立管線型的“順應(yīng)性設(shè)計(jì)”概念并給出了簡(jiǎn)化的度量指標(biāo)，即將柔性立管線型的順應(yīng)性能曲線保守近似

9、為，以浮體平衡位置為圓心，滿足柔性立管結(jié)構(gòu)失效約束條件的最小浮體偏移量為半徑的圓，使用偏移半徑作為線型順應(yīng)性的度量指標(biāo)。在設(shè)計(jì)案例中，基于角度設(shè)計(jì)法，憑借參數(shù)分析獲得了不同“順應(yīng)性”目標(biāo)的緩波線型。
　　(4)柔性管道在鋪設(shè)過程中同樣會(huì)呈現(xiàn)立管形態(tài)并且需要對(duì)其線型進(jìn)行設(shè)計(jì)，特別是在鋪設(shè)上彎段，柔性管道將與下水橋產(chǎn)生彈性接觸，且因?yàn)榻佑|應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)耦合等問題而難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。本文首先使用非線性時(shí)域分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪設(shè)過程中整

10、體線型的動(dòng)態(tài)仿真，通過非線性時(shí)域方法分析獲取了管道的動(dòng)態(tài)鋪設(shè)張力、入水角度等設(shè)計(jì)所需信息。針對(duì)鋪設(shè)上彎段局部線型的受力分析問題，基于歐拉梁與Hertz接觸假設(shè)，建立梁與彈性圓柱面的變形耦合接觸分析模型，用于上彎段接觸壓力的快速分析;并且結(jié)合對(duì)下彎段部分的受力分析、補(bǔ)充了邊界條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述接觸分析模型的求解。最后，建立了模擬鋪設(shè)上彎段的室內(nèi)半物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，用于分析柔性管道與下水橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力耦合問題。具體使用了六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬鋪