深水非粘結(jié)柔性管屈曲失效研究.pdf

1、非粘結(jié)柔性管，作為海底管道和立管結(jié)構(gòu)中的一種，因其在極端動態(tài)海洋環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)異，結(jié)構(gòu)順應(yīng)性強(qiáng)，安裝成本低，重量低等優(yōu)點近年來在多個海洋工程項目中獲得廣泛應(yīng)用，在我國南海發(fā)展前景廣闊。但非粘結(jié)柔性管結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，管層之間存在大量接觸摩擦與滑移作用，不利于運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析柔性管結(jié)構(gòu)特性。深水非粘結(jié)柔性管在安裝和鋪設(shè)過程中，需承受深水壓力導(dǎo)致的軸向壓力，同時還需要承受循環(huán)彎矩等作用，特別是在觸地點和反彎點附近，載荷形式復(fù)雜，循環(huán)彎矩變化頻

2、繁，可能會導(dǎo)致非粘結(jié)柔性管中的抗拉伸層發(fā)生屈曲失效，產(chǎn)生“鳥籠”屈曲和側(cè)向局部屈曲，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。工程界對其常規(guī)研究方法為全尺度試件試驗，成本高昂，而對其的數(shù)值模擬研究尚處于起步階段。因此有必要對非粘結(jié)柔性管的局部屈曲特性進(jìn)行系統(tǒng)化研究，為柔性管截面初步設(shè)計提供參考。
　　本文采用曲梁理論以及斜駛線和測地線假設(shè)對柔性管抗拉伸層進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析解研究，根據(jù)方程編制了程序，同時建立對應(yīng)的有限元模型進(jìn)行對比分析，證實了該理論應(yīng)用于柔性

3、管抗拉伸層螺旋鋼纜的可行性。此后推導(dǎo)了以曲梁理論和斜駛線假設(shè)為基礎(chǔ)，附加小變形的曲梁單元剛度矩陣算法公式。運(yùn)用曲梁單元，以等效簡化梁的方法表示整個抗拉伸層，采用混合算法和庫倫摩擦模型進(jìn)行接觸和摩擦模擬，分析了軸對稱載荷下的結(jié)構(gòu)屈曲特性，包括屈曲失效模式分析、參數(shù)敏感性分析以及初始缺陷分析。同時運(yùn)用等效歐拉梁，虛擬接觸面和ABAQUS軟件建立歐拉梁非粘結(jié)柔性管有限元模型，對兩種模型分析對比，研究了兩種方法的優(yōu)劣與差異性。實際工況中柔性管不

4、僅受到軸對稱載荷作用還受到彎矩的作用，彎矩的施加使軸對稱模型以及等效梁和虛擬接觸面都無法應(yīng)用，這些因素加大了分析難度。針對彎矩下的柔性管屈曲失效，本文運(yùn)用曲梁方法建立了彎矩載荷下的柔性管屈曲分析有限元模型，進(jìn)行了屈曲特性和參數(shù)敏感性分析，并同解析解進(jìn)行了對比研究，分析了彎矩對于柔性管屈曲載荷的主要影響。采用曲梁有限元法建立了長時間循環(huán)彎矩下的有限元模型，分析了抗拉伸層鋼纜結(jié)構(gòu)形態(tài)，在彎矩過程中扭轉(zhuǎn)角變化規(guī)律，抗拉伸層應(yīng)力變化規(guī)律以及軸向

5、壓縮值變化規(guī)律。同時，采用歐拉梁模擬螺旋鋼纜，以等效殼單元法模擬其它層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了長時間循環(huán)彎矩下的屈曲分析。將兩種模型結(jié)果與丹麥進(jìn)行的柔性管屈曲試驗進(jìn)行對比，分析循環(huán)彎矩對于柔性管局部屈曲失效的影響。綜合上述研究結(jié)果，得出柔性管屈曲載荷和屈曲失效形式的主要影響因素。結(jié)果表明，曲梁方法與歐拉方法均可用于柔性管屈曲分析，曲梁方法計算效率比歐拉梁有限元法高。研究成果可建立一種快速可行的曲梁有限元分析方法，用于在截面設(shè)計中校核柔性管局部屈曲特