隨著油氣資源的開發(fā)向著深海領域發(fā)展,海洋立管作為深海油氣開發(fā)系統(tǒng)中的重要構件,以往的鋼制立管已經(jīng)不足以滿足其設計要求。復合材料立管相對于金屬立管,具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕等眾多優(yōu)勢,成為深海立管設計的新選擇。但復合材料因自身缺陷在工況復雜的海洋環(huán)境容易發(fā)生損傷破壞,進而造成無法預計的災害。因此,對復合材料立管損傷的研究有重要的理論意義和實用價值。復合材料的破壞是一個漸進的過程。本文基于漸進損傷原理,通過編寫有限元軟件用戶子程序功能,對這一過程進行了仿真模擬。首先研究了復合材料鋪層角度和鋪層順序?qū)Y(jié)構產(chǎn)生損傷的初始載荷,損傷類型,極限載荷和損傷擴展的影響。然后以海洋立管的簡化結(jié)構——金屬內(nèi)襯外纏繞纖維增強復合材料立管為研究對象,針對不同結(jié)構設計參數(shù)對復合材料海洋立管強度的影響及內(nèi)襯金屬變形的三階段(彈性、塑性、破壞)下復合材料層不同區(qū)域的破壞情形進行了分析。最后考慮到海洋立管實際生產(chǎn)中可能存在的問題,設計一種金屬內(nèi)襯層含軸向初始裂紋的復合材料海洋立管,探究了不同初始裂紋尺寸及初始裂紋所處位置的不同對海洋立管復合材料層損傷的影響。為復合材料在海洋立管中的使用提供理論參考。本文研究發(fā)現(xiàn),鋪層角越大,立管產(chǎn)生損傷的初始載荷越小,損傷形式越單一,軸向的強度越小,[0°/45°/-45°/90°]_T的鋪層設計對于結(jié)構抵抗軸拉載荷的作用更為有利。立管內(nèi)襯層的減薄使得應力在厚度方向上增大,結(jié)構提前發(fā)生破壞,不利于結(jié)構對內(nèi)壓的承載。金屬和復合材料界面處纏繞角為45°時,應力在界面的遞減率最大,其抗壓承載能力較強。復合材料在金屬塑性變形階段喪失大部分承載力,立管邊界區(qū)域控制結(jié)構徑向損傷起始和發(fā)展,立管中段區(qū)沿厚度方向應力穩(wěn)定,不易產(chǎn)生損傷。初始裂紋的存在對立管的承載能力影響顯著,深、長尺寸的增加會使得金屬內(nèi)襯層起裂壓力和復合材料層損傷起始載荷下降,且深度變化影響更大。對比于萌生于立管內(nèi)襯層中部的軸向裂紋,近端面處的初始裂紋對金屬內(nèi)襯層的破壞影響較大,對復合材料層的損傷影響較小。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P756.2
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文第 1 章 緒 論題研究背景及意義管當今世界對新型能源的發(fā)展速度有著最樂觀預期，但石油和天然較長時期內(nèi)充當最重要的能源角色的局面也難以否認。而油氣勘察發(fā)展之后，陸地及近海域開發(fā)的高峰期已經(jīng)過去，對于新的油氣田向深海區(qū)域探索，自上世紀八十年代以來，全球已探明近百個深海，而規(guī)模多達億噸級的就占有 30%之多。圖 1-1 示意了深海油氣產(chǎn)量勢。但深海油氣田小且分布較為分散的特點，也為勘探開發(fā)技術提戰(zhàn)。

但深海油氣田小且分布較為分散的特點，也為勘探開發(fā)技。圖 1-1 深海油氣產(chǎn)量及占世界總產(chǎn)量的比值[1]深海油氣資源開發(fā)的重要水下裝備，海洋立管是連接海底管并進行油氣開發(fā)與傳輸?shù)奈ㄒ煌緩�，其用途廣泛，主要包括生水、運輸?shù)�。圖 1-2 示意了包含海洋立管在內(nèi)的一個完整的海

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文性立管和柔性立管可按其結(jié)構形式的不同作為海洋立管的兩大分類管根據(jù)其幾何形式的不同又可劃分為頂張力式（TTR）與鋼懸鏈線式TTR 立管的端部受浮體提供的頂部張力控制，其底部與井口鉸接，較大的漂移運動時其不能與之相適應，且頂部張力和浮體垂蕩運動海底深度的增加會變得更加困難；SCR 立管中海底管線與立管是組兩側(cè)分別連接海底采油口和海面浮式結(jié)構，且同海底管線結(jié)構之間而使得水下施工量的難度大大降低，但由于其觸底點的特點，當浮環(huán)境的作用下發(fā)生運動時，在立管同大剛度的海底表面作用力下，，產(chǎn)生的疲勞效應會對其造成嚴重的損傷。同以上剛性立管相比，彎曲變形的能力較弱，其內(nèi)部各層可相對移動，可適應頂端較大范且具有易安裝、低成本、環(huán)保等優(yōu)點。圖 1-3 為兩種立管示意圖。

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本文編號：2827278