本文關(guān)鍵詞：考慮溫度場效應(yīng)的臍帶纜截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

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【摘要】：隨著海洋油氣開采深度的不斷增加,對水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備的要求也更加嚴(yán)格,臍帶纜作為海洋油氣開采系統(tǒng)中不可或缺的裝備之一,其為用來連接上部浮體與下部生產(chǎn)系統(tǒng)的纜線,為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電能、控制信號以及液壓和化學(xué)藥劑。臍帶纜是由光、電以及鋼管等單元螺旋纏繞所構(gòu)成的非粘接的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。臍帶纜在安裝、儲運(yùn)以及在位運(yùn)行的過程中受到功能荷載與環(huán)境荷載的作用,使得臍帶纜內(nèi)部各單元之間產(chǎn)生接觸、摩擦和擠壓等復(fù)雜的非線性問題。并且臍帶纜在電能傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生大量的熱量,使臍帶纜內(nèi)部的溫度升高,影響到材料的力學(xué)性能,進(jìn)一步影響到整個纜體的力學(xué)性能。因此,臍帶纜在位運(yùn)行時(shí)受到復(fù)雜的海況以及自身物理場的耦合作用,在多學(xué)科荷載的作用下使得對臍帶纜的整體性能的設(shè)計(jì)與分析變的非常困難。由于我國深海油氣的開采起步較晚,目前海洋油氣開采裝備的研發(fā)與生產(chǎn)正處于起步的階段,尚不具備獨(dú)立設(shè)計(jì)與生產(chǎn)臍帶纜的能力。我國臍帶纜應(yīng)用來源主要依賴于進(jìn)口,同時(shí)國外廠商實(shí)施臍帶纜生產(chǎn)技術(shù)的壟斷與封鎖,從而對我國海洋油氣的開采起到了嚴(yán)重的限制與約束作用。首先,本文針對國內(nèi)外鋼管臍帶纜的設(shè)計(jì)與分析方法展開了系統(tǒng)的調(diào)研和總結(jié),初步掌握臍帶纜在功能荷載下的失效模式,并依據(jù)相應(yīng)的失效模式提出了關(guān)鍵受力構(gòu)件如鎧裝鋼絲、填充和液壓管道的設(shè)計(jì)與分析方法。同時(shí)針對現(xiàn)有理論分析方法的不足,提出了半數(shù)值分析方法更精確地求解臍帶纜拉彎能力曲線。其次,考慮到工作中電纜所釋放熱量會對截面材料以及力學(xué)性能產(chǎn)生影響,文中利用解析分析和數(shù)值模型分別分析了溫度對截面力學(xué)性能的影響以及一定傳輸功率下截面溫度分布的特征。同時(shí)通過引入耦合分析方法對臍帶纜截面徑向力學(xué)性能進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)溫度對截面徑向剛度的影響高達(dá)83.1%。最后,基于臍帶纜規(guī)范中的截面設(shè)計(jì)對稱性與緊湊性準(zhǔn)則,提出相應(yīng)量化指標(biāo)并給出理論設(shè)計(jì)方法,同時(shí),針對臍帶纜在位運(yùn)行時(shí)所涉及到多學(xué)科荷載進(jìn)行研究,應(yīng)用理論與數(shù)值結(jié)合的分析方法對其進(jìn)行溫度場分析,提出簡化的溫度場優(yōu)化方法。然后建立力學(xué)性能與熱場分析的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)框架,編制相應(yīng)優(yōu)化程序求得多目標(biāo)最優(yōu)解集,根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)給出最優(yōu)截面布局,其設(shè)計(jì)結(jié)果與初始設(shè)計(jì)值對比有顯著的提升。充分驗(yàn)證了整個優(yōu)化設(shè)計(jì)策略的高效性和可行性,為臍帶纜設(shè)計(jì)提供了有意的參考。本論文的研究工作屬于國家863專項(xiàng)課題“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究Ⅱ期”(2014AA09A224-2)中的重要組成部分。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P754.5

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本文編號：1280458