深海柔性立管動力及力學性能實驗分析.pdf

1、隨著海洋資源的開發(fā)逐漸向深海邁進，深海裝備的研發(fā)已成為近幾年的熱點。非粘結柔性立管由于其彎曲剛度小、質量輕、耐腐蝕以及抗疲勞性能強等特點，適用于深海惡劣的海況。然而，由于非粘結柔性立管結構的復雜性和深海環(huán)境載荷的復雜性，使得非粘結柔性立管在設計和服役過程中的結構失效分析面臨很大的挑戰(zhàn)。
　　首先，非粘結柔性立管的局部結構由多層互相非粘結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性能和特殊的本構關系；其次

2、，其復雜的結構導致其拉伸剛度遠遠強于其彎曲剛度，致使其在求解動力響應問題過程中容易造成計算的不收斂，使得其動力響應難以準確求解；最后，由于柔性立管的疲勞破壞往往不是所有結構層同時發(fā)生，傳統(tǒng)的疲勞壽命分析方法無法分析柔性立管結構多層的疲勞性能。
　　本文針對非粘結柔性立管設計和運行中所遇到的挑戰(zhàn)進行了詳細的研究，主要的工作如下：
　　1、運用新型簡化模型對柔性立管的局部力學性能進行分析。
　　非粘結柔性立管結構復雜，采用

3、傳統(tǒng)的實體建模的方法雖然能較為準確地對其力學性能進行評估，但是由于模型節(jié)點自由度數(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柔性立管特殊的非線性本構關系。運用改進后的梁殼組合新型簡化模型對非粘結柔性立管進行局部力學分析可以在保證計算精度的前提下大大減少計算成本，并能夠準確反映其非線性的力學特性。
　　2、提出運用多層應力分配法對非粘結柔性立管的本構關

4、系進行分析。
　　多層非粘結柔性結構物的本構關系一直是力學分析的難點，本文提出運用多層應力分配法，結合層間的接觸關系和摩擦關系，引進滑移/粘滯模型，對立管的各層結構分別建立本構方程，并用之前建立的數(shù)值分析模型來進行驗證。本構關系的建立是解決非粘結柔性立管力學問題的關鍵，也是后續(xù)疲勞分析的基礎。
　　3、提出了耦合單元法求解非粘結柔性立管的動力響應。
　　針對非粘結柔性立管動力分析遇到的計算不收斂問題，推導并建立了適用于

5、柔性結構物的總體動力分析方法?？紤]到復雜的海洋環(huán)境載荷，采用時域動力分析的方法使結果更加準確。分別運用經(jīng)典的靜力算例和動力分析算例來驗證提出方法的可靠性。并運用該方法求解了自由懸掛式立管的動力響應。
　　4、采用多層疲勞壽命分析法求解非粘結柔性立管的疲勞壽命。
　　針對傳統(tǒng)方法無法求解非粘結柔性立管多層的疲勞壽命分析問題，結合前文的多層應力分配法，將總體的動力響應分配到各層中，再對立管所有的結構功能層進行疲勞壽命分析。并討論