深海復合材料立管力學特性分析與優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、立管是深海油氣資源開發(fā)的關(guān)鍵裝備之一,隨著近海油氣田勘探開發(fā)逐漸向深海發(fā)展,傳統(tǒng)的鋼制立管難以滿足設(shè)計要求。纖維增強復合材料作為深海鋼立管設(shè)計的替代材料具有眾多優(yōu)勢,如:高比強度、高比剛度、腐蝕性能好,熱導率低以及抗疲勞能力強等等,因此在深海油氣開發(fā)中復合材料立管應(yīng)用前景誘人。
　　由于使用復合材料對油田開采成本的縮減顯著,金屬材料立管向復合材料立管過渡已成為深海裝備開發(fā)的趨勢。此外,立管重量的減輕直接減少了頂部張力,從而減少了平

2、臺尺度。并且隨著水深不斷增加,這種減重的影響會愈加突出。然而對于海洋工程結(jié)構(gòu),使用復合材料進行設(shè)計遠不及使用金屬材料成熟,因此有必要驗證復合材料立管可以如鋼制立管一樣滿足一定的設(shè)計要求。由于兩者材料以及工藝的巨大差別,復合材料立管需要不同的設(shè)計方法,因此對于深海復合材料立管設(shè)計中其面臨著諸多挑戰(zhàn):
　　首先,復合材料各向異性的特點增加了設(shè)計的難度。對于各向同性材料,剛度和強度可用一個楊氏模量與泊松比給出,組合應(yīng)力的強度判據(jù)僅需要一

3、個強度參數(shù)數(shù)據(jù);但對于復合材料來講,單個鋪層材料具有4個剛度參數(shù)和5個強度參數(shù),多個鋪層時剛度常數(shù)可以多到21個,強度參數(shù)為層數(shù)的5倍,故破壞準則已無法簡化為標量形式。
　　其次,復合材料立管的整體模型簡化存在難點。海洋環(huán)境下立管整體動力分析是確保安全性的條件之一,最常用手段是將其簡化為梁單元進行有限元分析。然而對于復合材料結(jié)構(gòu),由于其材料各向異性以及鋪層設(shè)計的多變性使得其難以簡化,如何將設(shè)計參數(shù)與立管宏觀力學特性建立聯(lián)系是設(shè)計中

4、的另一難題。
　　最后,復合材料立管的設(shè)計變量眾多,剛度矩陣和強度準則判據(jù)復雜,因此在對其優(yōu)化設(shè)計過程中需要耗費大量的計算資源。此外由于海洋環(huán)境中的立管在材料、尺寸、載荷等方面具有不確定性,由此導致的計算分析結(jié)果均具有不確定性。為了深入了解復合材料立管的力學特性,對其設(shè)計變量中進行隨機性可靠性分析計算是必要的。
　　針對上述三個關(guān)鍵的難題,本研究探討了纖維增強復合材料層合立管的宏觀力學特性、強度破壞和局部屈曲的失效模式,并進

5、行了優(yōu)化設(shè)計和可靠度計算,主要工作如下:
　　1.復合材料立管局部模型分析及外壓屈曲的可靠度分析
　　建立了剛性纖維增強復合材料層合立管局部數(shù)值模型,根據(jù)規(guī)范設(shè)計考慮了內(nèi)壓、外壓、拉伸等載荷作用下的典型失效模式,其中,強度破壞考慮了纖維與基體的耦合影響;分析了模型參數(shù)(材料、幾何、鋪層參數(shù))對力學性能的影響;針對外壓屈曲臨界載荷的計算,考慮了不同設(shè)計變量隨機性的敏感度分析。
　　2.復合材料懸鏈線立管整體動力響應(yīng)分析<

6、br>　　根據(jù)復合材料層合理論計算立管的等效力學參數(shù),并以其建立深水懸鏈線復合材料立管整體等效模型?？紤]極限環(huán)境載荷的作用對懸鏈線立管進行整體動力分析,得到了關(guān)鍵截面處的內(nèi)力以及位移,為局部模型鋪層參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了載荷和邊界條件。
　　3.復合材料剛性立管的優(yōu)化設(shè)計研究
　　使用遺傳算法對承受內(nèi)外壓、軸向拉力、彎曲載荷的復合材料立管接頭的鋪層進行優(yōu)化設(shè)計。復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計變量和約束條件多、約束函數(shù)復雜,因此優(yōu)化過程收斂緩

7、慢。采用近似模型技術(shù)結(jié)合實驗設(shè)計的方法可以顯著提高優(yōu)化效率。針對鋪角設(shè)計中面臨的多目標優(yōu)化問題,使用此方法可以有效獲得到帕累托前沿面,從而有效幫助設(shè)計者進行選擇。
　　本文創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在:深海復合材料懸鏈線立管整體分析方法的建立、復合材料立管設(shè)計中局部模型分析與整體模型分析的關(guān)聯(lián)、復合材料立管設(shè)計變量隨機性對屈曲性能的影響分析以及將先進的優(yōu)化方法與復合材料立管設(shè)計相結(jié)合。
　　研究通過層合理論得到復合材料立管截面的等