深海鋼懸鏈立管的疲勞及隨機動力優(yōu)化分析研究.pdf

1、人類對深海油氣資源開采需求日益迫切，鋼懸鏈立管（SCR）作為深海油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵裝備之一，其整體形態(tài)和局部裝置具有顯著的非線性特征，在其設(shè)計、分析、安裝和安全服役等方面存在諸多挑戰(zhàn)。
　　立管頂部應力接頭是連接立管主體和平臺的裝置，是深海鋼懸鏈立管的關(guān)鍵部位之一，為立管提供初始彎曲剛度和懸掛角，承受大交變張力和彎曲作用，易發(fā)生疲勞破壞，導致油氣泄漏，進而危及整個采油系統(tǒng)的安全。該區(qū)域涉及管與接頭的復雜接觸作用，具有顯著的狀態(tài)非線

2、性，應力接頭區(qū)域是深海鋼懸鏈立管數(shù)值分析的關(guān)鍵點和難點之一，亟待細化深入的研究。
　　另外，深海立管占整個開采系統(tǒng)的成本隨深度增加而顯著增大，在確保結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，對深海鋼懸鏈立管進行降低成本的優(yōu)化設(shè)計具有現(xiàn)實意義。海洋環(huán)境中的立管在材料、尺寸、載荷等方面具有隨機性，由此導致的計算分析結(jié)果均具有不確定性，故傳統(tǒng)確定性優(yōu)化設(shè)計方案在實際工作狀態(tài)中可能存在安全可靠度不足的問題，因此進行考慮隨機性的優(yōu)化設(shè)計對立管安全生產(chǎn)十分重要。

3、
　　研究基于深海鋼懸鏈立管的整體動力分析對頂端應力接頭進行深入的探討，并對整體和局部模型進行隨機性的優(yōu)化設(shè)計，主要工作如下：
　　1.海洋環(huán)境載荷下鋼懸鏈立管的整體動力和疲勞分析
　　利用解析和數(shù)值相結(jié)合的方法獲得了鋼懸鏈立管的整體初始靜平衡形態(tài)，在靜平衡形態(tài)的基礎(chǔ)上對立管進行瞬態(tài)動力分析，和隨后的疲勞分析。分析結(jié)果展現(xiàn)了鋼懸鏈立管整體的薄弱點位于頂端懸掛區(qū)域和觸地點附近區(qū)域。
　　2.兩種鋼懸鏈立管頂端應力接

4、頭的疲勞壽命估算
　　討論了兩種應力接頭，即錐形應力接頭（TSJ）和套管應力接頭（SSJ）。將鋼懸鏈立管整體動力分析得到的局部響應信號加載于接頭局部模型上，對兩種接頭進行動力分析，根據(jù)多軸疲勞理論對其進行疲勞壽命估算。接頭的參數(shù)分析展示了幾何參數(shù)的改變對結(jié)構(gòu)壽命的影響程度及趨勢，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。
　　3.鋼懸鏈立管的動力隨機性優(yōu)化設(shè)計研究
　　探討了鋼懸鏈立管的動力隨機性優(yōu)化設(shè)計，運用單循環(huán)的可靠度優(yōu)化方法降

5、低了優(yōu)化迭代次數(shù)，利用代理模型技術(shù)減少了優(yōu)化過程中有限元程序的調(diào)用次數(shù)。所用的優(yōu)化策略顯著提高了運算效率，得到的優(yōu)化設(shè)計方案在滿足一定可靠度的前提下最大限度的降低了結(jié)構(gòu)成本，科學的兼顧了立管經(jīng)濟性和安全性的雙重需求，克服了傳統(tǒng)確定性優(yōu)化設(shè)計方案可靠度不足的問題。
　　研究通過對深海鋼懸鏈立管的整體分析，表明頂端接頭為深海鋼懸鏈立管結(jié)構(gòu)的薄弱點之一；通過對兩種頂端局部應力接頭模型的深入分析研究，展示了其各自的力學特性；通過隨機動力分