深水柔性立管截面力学模型与疲劳寿命分析研究

发布时间：2017-12-06 05:26

  本文关键词：深水柔性立管截面力学模型与疲劳寿命分析研究

  更多相关文章： 非粘结柔性管 截面力学分析 轴对称荷载 ABAQUS 弯曲荷载 BFLEX 椭圆化 OrcaFlex 疲劳寿命分析

【摘要】：非粘结柔性立管是海洋油气开采的生命线。随着海洋油气勘探和开采逐渐向深水发展,复杂的深水海洋环境给柔性立管的应用带了更大的挑战。作为立管系统中的关键部分,柔性管的分析和设计就显得尤为重要。在系统地总结国内外研究现状以及分析国内外发展趋势的基础上,本文对柔性管在轴对称荷载和弯曲荷载下的截面力学性能、截面椭圆化对柔性管弯曲性能的影响以及柔性管的疲劳寿命等一系列问题进行了深入的研究,系统地建立了一套柔性管疲劳寿命分析的方法,主要研究工作为以下几个方面:1)深水柔性管轴对称荷载截面力学理论模型研究基于柔性管的结构特点,以螺旋单元和圆柱单元为分析对象展开研究,建立螺旋单元在轴对称荷载下的位移应变关系,并在螺旋单元轴向应变的基础上进一步引入径向应变和曲率、扭率变化对螺旋层结构刚度的影响。采用罚函数法将层与层之间的接触约束条件引入柔性管的整体刚度矩阵,得到柔性管在轴对称荷载下的理论模型。将理论模型的计算结果和实验结果进行对比,验证本文理论模型的正确性。2)深水柔性管轴对称荷载数值模型及响应研究基于非线性通用有限元软件ABAQUS,提出合理的柔性管轴对称荷载数值计算模型,将抗拉铠装层中的螺旋条带用梁单元模拟,并充分考虑了柔性管层与层之间的接触问题,计算得到柔性管在轴对称荷载下的结构响应,将计算结果与本文提出的柔性管轴对称荷载理论模型进行对比,验证本文有限元模型的有效性和实用性。采用理论模型进一步对柔性管的轴对称响应进行参数分析,得到引起柔性管轴向刚度和径向刚度变化的影响因素。3)深水柔性管弯曲荷载理论模型及响应研究以Kebadze的弯曲理论模型为基础,从螺旋条带的轴向平衡为起点,推导出螺旋条带在弯曲变形下的临界曲率、轴力以及弯曲刚度。基于专业柔性管有限元软件BFLEX,建立螺旋条带的弯曲数值模型,计算螺旋条带在弯曲荷载下的结构响应,揭示了螺旋条带轴向滑移和横向滑移对柔性管弯曲性能的影响,并与本文提出的弯曲理论模型进行对比,验证本文弯曲理论模型的准确性和有效性。进一步基于弯曲理论模型,探究了外压、摩擦系数和缠绕角度对柔性管抗拉铠装层弯曲性能的影响。4)深水柔性管截面椭圆化对弯曲性能影响研究针对柔性管在弯曲变形中截面的椭圆化问题,在柔性管弯曲理论模型的基础上,建立了一个考虑截面椭圆化的柔性管弯曲理论模型,推导了在弯曲变形下螺旋条带轴力、临界曲率以及弯曲刚度的表达式,并和柔性管的弯曲理论模型进行对比,验证模型的有效性。基于该模型,进一步探究在弯曲变形下截面椭圆化对柔性管弯曲性能的影响。5)深水柔性管抗拉铠装层疲劳寿命分析研究基于非线性有限元软件OrcaFlex,建立了合理的柔性管整体分析模型。模型考虑了柔性管与平台连接处的防弯器,并在随机波浪、海流以及平台运动的共同作用下对柔性管进行非线性时域动力响应分析,得到管道的荷载响应时程曲线。然后将整体分析的计算结果应用于本文的局部分析模型,得到柔性管抗拉铠装层的应力响应时程曲线。最后基于S-N曲线和Miner线性累积损伤理论,对柔性管抗拉铠装层进行疲劳寿命计算,确定柔性立管最易发生应力疲劳失效的部位,并进一步探究了平均应力修正、摩擦系数和截面椭圆化对疲劳寿命的影响。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE952

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