深海柔性立管動(dòng)力及力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析.pdf

1、隨著海洋資源的開發(fā)逐漸向深海邁進(jìn)，深海裝備的研發(fā)已成為近幾年的熱點(diǎn)。非粘結(jié)柔性立管由于其彎曲剛度小、質(zhì)量輕、耐腐蝕以及抗疲勞性能強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于深海惡劣的海況。然而，由于非粘結(jié)柔性立管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和深海環(huán)境載荷的復(fù)雜性，使得非粘結(jié)柔性立管在設(shè)計(jì)和服役過程中的結(jié)構(gòu)失效分析面臨很大的挑戰(zhàn)。
　　首先，非粘結(jié)柔性立管的局部結(jié)構(gòu)由多層互相非粘結(jié)的功能層以及高分子層組成，層間可相互滑移、摩擦，造成了立管非線性的力學(xué)性能和特殊的本構(gòu)關(guān)系；其次

2、，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其拉伸剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其彎曲剛度，致使其在求解動(dòng)力響應(yīng)問題過程中容易造成計(jì)算的不收斂，使得其動(dòng)力響應(yīng)難以準(zhǔn)確求解；最后，由于柔性立管的疲勞破壞往往不是所有結(jié)構(gòu)層同時(shí)發(fā)生，傳統(tǒng)的疲勞壽命分析方法無法分析柔性立管結(jié)構(gòu)多層的疲勞性能。
　　本文針對(duì)非粘結(jié)柔性立管設(shè)計(jì)和運(yùn)行中所遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，主要的工作如下：
　　1、運(yùn)用新型簡化模型對(duì)柔性立管的局部力學(xué)性能進(jìn)行分析。
　　非粘結(jié)柔性立管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用

3、傳統(tǒng)的實(shí)體建模的方法雖然能較為準(zhǔn)確地對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，但是由于模型節(jié)點(diǎn)自由度數(shù)量巨大，此外還需考慮層間的接觸和摩擦等非線性因素使得其計(jì)算成本十分高昂，而傳統(tǒng)的簡化模型忽略了立管層間的摩擦又無法反映非粘結(jié)柔性立管特殊的非線性本構(gòu)關(guān)系。運(yùn)用改進(jìn)后的梁殼組合新型簡化模型對(duì)非粘結(jié)柔性立管進(jìn)行局部力學(xué)分析可以在保證計(jì)算精度的前提下大大減少計(jì)算成本，并能夠準(zhǔn)確反映其非線性的力學(xué)特性。
　　2、提出運(yùn)用多層應(yīng)力分配法對(duì)非粘結(jié)柔性立管的本構(gòu)關(guān)

4、系進(jìn)行分析。
　　多層非粘結(jié)柔性結(jié)構(gòu)物的本構(gòu)關(guān)系一直是力學(xué)分析的難點(diǎn)，本文提出運(yùn)用多層應(yīng)力分配法，結(jié)合層間的接觸關(guān)系和摩擦關(guān)系，引進(jìn)滑移/粘滯模型，對(duì)立管的各層結(jié)構(gòu)分別建立本構(gòu)方程，并用之前建立的數(shù)值分析模型來進(jìn)行驗(yàn)證。本構(gòu)關(guān)系的建立是解決非粘結(jié)柔性立管力學(xué)問題的關(guān)鍵，也是后續(xù)疲勞分析的基礎(chǔ)。
　　3、提出了耦合單元法求解非粘結(jié)柔性立管的動(dòng)力響應(yīng)。
　　針對(duì)非粘結(jié)柔性立管動(dòng)力分析遇到的計(jì)算不收斂問題，推導(dǎo)并建立了適用于

5、柔性結(jié)構(gòu)物的總體動(dòng)力分析方法?？紤]到復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷，采用時(shí)域動(dòng)力分析的方法使結(jié)果更加準(zhǔn)確。分別運(yùn)用經(jīng)典的靜力算例和動(dòng)力分析算例來驗(yàn)證提出方法的可靠性。并運(yùn)用該方法求解了自由懸掛式立管的動(dòng)力響應(yīng)。
　　4、采用多層疲勞壽命分析法求解非粘結(jié)柔性立管的疲勞壽命。
　　針對(duì)傳統(tǒng)方法無法求解非粘結(jié)柔性立管多層的疲勞壽命分析問題，結(jié)合前文的多層應(yīng)力分配法，將總體的動(dòng)力響應(yīng)分配到各層中，再對(duì)立管所有的結(jié)構(gòu)功能層進(jìn)行疲勞壽命分析。并討論