本文針對(duì)深水海底管道的屈曲壓潰及屈曲傳播,使用靜水流體單元加載與動(dòng)力隱式算法,對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載與動(dòng)態(tài)加載分析。結(jié)合全尺寸壓力艙真實(shí)管道試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了兩種計(jì)算方法的正確性。建立了水壓作用下管道的仿真模型,得到其在不同加載方式下的壓潰壓力和屈曲傳播壓力。發(fā)現(xiàn)由于卸載速率和前屈曲加載條件等因素的不同,導(dǎo)致了準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)分析下屈曲傳播壓力的差異。對(duì)于真實(shí)海況下管道的屈曲特性分析,還需要通過(guò)海上試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證兩種方法的適用性,因此對(duì)深水管道海上試驗(yàn)的流程進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了扭矩和水壓作用下管道的屈曲壓潰特性。對(duì)受到扭矩作用的管道,通過(guò)建立理論分析模型,推導(dǎo)得到了其彈性扭轉(zhuǎn)計(jì)算方程,利用有限元算例驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的正確性。使用有限元弧長(zhǎng)法,建立了管道受扭矩和水壓作用下的仿真模型。通過(guò)對(duì)管道施加不同扭矩和加載路徑,計(jì)算得到了管道的兩種截面變形模式和三種整體變形模式,探究了不同變形模式產(chǎn)生的原因。對(duì)管道在扭矩和水壓作用下的壓潰壓力進(jìn)行了敏感性分析,發(fā)現(xiàn)管道壁厚、初始橢圓度、外徑、材料屬性、不同加載路徑等因素對(duì)管道壓潰壓力有重要影響。利用優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法,對(duì)管道壓潰壓力進(jìn)行了擬合預(yù)測(cè),為管道的設(shè)計(jì)研究提供了一種更加便捷的計(jì)算方法。參與設(shè)計(jì)了可以對(duì)管道施加扭矩和水壓的縮比尺壓力艙,研究設(shè)計(jì)不同加載路徑下管道屈曲壓潰的試驗(yàn)流程。目前對(duì)止屈器的研究仍集中在單獨(dú)的止屈器上。本文利用數(shù)值模擬建立并優(yōu)化了扣入式和纏繞式止屈器模型,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其正確性,在此基礎(chǔ)上提出了并行排布式及疊加式兩種聯(lián)合式止屈器模型。對(duì)兩種新提出的聯(lián)合式止屈器進(jìn)行了敏感性分析,研究了止屈器長(zhǎng)度、匝數(shù)、壁厚、間距、纏繞方式等因素對(duì)其穿越壓力的影響,得到了兩種不同的穿越模式。通過(guò)對(duì)比各類止屈器的穿越壓力,對(duì)聯(lián)合式止屈器的止屈性能進(jìn)行了研究,探討了其優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性,對(duì)海洋石油開發(fā)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P756.2
【部分圖文】：

結(jié)構(gòu)屈曲有兩種類型，分別是分叉型屈曲和極值型屈曲，如圖2-1 所示。分叉型屈曲與極值型屈曲的區(qū)別在于，結(jié)構(gòu)在載荷加載過(guò)程中存在兩種平衡路徑。如果載荷增長(zhǎng)至臨界值crP 時(shí)，結(jié)構(gòu)受到一定程度的擾動(dòng)，那么屈曲過(guò)程將沿著分叉路徑進(jìn)行。通常對(duì)于沒有幾何缺陷的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其受到理想載荷的條件下，更容易發(fā)生分叉型屈曲。但考慮到在實(shí)際工程中，管道的幾何結(jié)構(gòu)常常由于加工、運(yùn)輸?shù)仍虍a(chǎn)生損傷與破壞，深水海底環(huán)境載荷多變且復(fù)雜，故無(wú)論結(jié)構(gòu)的幾何形式還是結(jié)構(gòu)所受的加載條件，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想化。管道在受到外部載荷作用后，通常會(huì)提前發(fā)生屈曲失穩(wěn)，即產(chǎn)生極值型屈曲。7

圖 3-1 靜水流體單元1 所示的結(jié)構(gòu)中，靜水流體單元對(duì)結(jié)構(gòu)中的流體進(jìn)行了內(nèi)部流體進(jìn)行替代，流體壓力的變化即為載荷大小的變流體體積的變化，進(jìn)而對(duì)流體的壓力大小造成影響。這種耦合關(guān)系，可通過(guò)靜水流體單元進(jìn)行仿真表示。體單元 F3D4 能夠表示兩種流體，一種是氣動(dòng)流體，即壓是液壓流體，通常代表難以壓縮或是不能壓縮的流體于液壓流體的加載過(guò)程，這種流體的壓縮能力能夠通過(guò)體001 1p K ρ( )ρ ρ= 中，p 為流體壓力。結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)加載過(guò)程中受到的外故 p = γ，γ 為管道外壓荷載。K 表示流體的體積彈性模度。在第n和第 n +1載荷步運(yùn)算過(guò)程中，流體密度ρ 滿足

CVOL 的監(jiān)控和輸出。3.1.2 建立管道流體加載模型準(zhǔn)靜態(tài)分析下管道的數(shù)值模擬采用流體加載方式，有限元模型如圖3-2所示。為了讓計(jì)算更加便利，節(jié)省更多的時(shí)間，采用整體的 1/4 模型。1/4 模型既可以保證模型在考慮對(duì)稱性設(shè)置的情況下保持計(jì)算的準(zhǔn)確性，又可以降低計(jì)算的代價(jià)，提高計(jì)算的效率。整個(gè)模型分為艙體和管道兩個(gè)部分，其中管道部分有兩段，分別是前部的缺陷段，缺陷段采用 ABAQUS 中的放樣命令建模實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)設(shè)置初始局部橢圓度來(lái)控制缺陷段的缺陷大小。缺陷段的作用是觸發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，即觸發(fā)管道結(jié)構(gòu)的屈曲失效。管道第二段是完好管道段，該段主要作用是記錄管道的屈曲傳播
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本文編號(hào)：2838186