深水柔性立管截面力學(xué)模型與疲勞壽命分析研究.pdf

1、非粘結(jié)柔性立管是海洋油氣開采的生命線。隨著海洋油氣勘探和開采逐漸向深水發(fā)展，復(fù)雜的深水海洋環(huán)境給柔性立管的應(yīng)用帶了更大的挑戰(zhàn)。作為立管系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，柔性管的分析和設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。在系統(tǒng)地總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及分析國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)柔性管在軸對(duì)稱荷載和彎曲荷載下的截面力學(xué)性能、截面橢圓化對(duì)柔性管彎曲性能的影響以及柔性管的疲勞壽命等一系列問題進(jìn)行了深入的研究，系統(tǒng)地建立了一套柔性管疲勞壽命分析的方法，主要研究工作為以下幾

2、個(gè)方面:
　　1)深水柔性管軸對(duì)稱荷載截面力學(xué)理論模型研究
　　基于柔性管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以螺旋單元和圓柱單元為分析對(duì)象展開研究，建立螺旋單元在軸對(duì)稱荷載下的位移應(yīng)變關(guān)系，并在螺旋單元軸向應(yīng)變的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入徑向應(yīng)變和曲率、扭率變化對(duì)螺旋層結(jié)構(gòu)剛度的影響。采用罰函數(shù)法將層與層之間的接觸約束條件引入柔性管的整體剛度矩陣，得到柔性管在軸對(duì)稱荷載下的理論模型。將理論模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文理論模型的正確性。

3、　　2)深水柔性管軸對(duì)稱荷載數(shù)值模型及響應(yīng)研究
　　基于非線性通用有限元軟件ABAQUS，提出合理的柔性管軸對(duì)稱荷載數(shù)值計(jì)算模型，將抗拉鎧裝層中的螺旋條帶用梁單元模擬，并充分考慮了柔性管層與層之間的接觸問題，計(jì)算得到柔性管在軸對(duì)稱荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將計(jì)算結(jié)果與本文提出的柔性管軸對(duì)稱荷載理論模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文有限元模型的有效性和實(shí)用性。采用理論模型進(jìn)一步對(duì)柔性管的軸對(duì)稱響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)分析，得到引起柔性管軸向剛度和徑向剛度變化的影響

4、因素。
　　3)深水柔性管彎曲荷載理論模型及響應(yīng)研究
　　以Kebadze的彎曲理論模型為基礎(chǔ)，從螺旋條帶的軸向平衡為起點(diǎn)，推導(dǎo)出螺旋條帶在彎曲變形下的臨界曲率、軸力以及彎曲剛度?；趯I(yè)柔性管有限元軟件BFLEX，建立螺旋條帶的彎曲數(shù)值模型，計(jì)算螺旋條帶在彎曲荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，揭示了螺旋條帶軸向滑移和橫向滑移對(duì)柔性管彎曲性能的影響，并與本文提出的彎曲理論模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文彎曲理論模型的準(zhǔn)確性和有效性。進(jìn)一步基于彎曲理論

5、模型，探究了外壓、摩擦系數(shù)和纏繞角度對(duì)柔性管抗拉鎧裝層彎曲性能的影響。
　　4)深水柔性管截面橢圓化對(duì)彎曲性能影響研究
　　針對(duì)柔性管在彎曲變形中截面的橢圓化問題，在柔性管彎曲理論模型的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)考慮截面橢圓化的柔性管彎曲理論模型，推導(dǎo)了在彎曲變形下螺旋條帶軸力、臨界曲率以及彎曲剛度的表達(dá)式，并和柔性管的彎曲理論模型進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性?；谠撃Ｐ?，進(jìn)一步探究在彎曲變形下截面橢圓化對(duì)柔性管彎曲性能的影響。

6、>　　5)深水柔性管抗拉鎧裝層疲勞壽命分析研究
　　基于非線性有限元軟件OrcaFlex，建立了合理的柔性管整體分析模型。模型考慮了柔性管與平臺(tái)連接處的防彎器，并在隨機(jī)波浪、海流以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的共同作用下對(duì)柔性管進(jìn)行非線性時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)分析，得到管道的荷載響應(yīng)時(shí)程曲線。然后將整體分析的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于本文的局部分析模型，得到柔性管抗拉鎧裝層的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。最后基于S-N曲線和Miner線性累積損傷理論，對(duì)柔性管抗拉鎧裝層進(jìn)行疲勞壽命