【摘要】：臍帶纜是連接水下生產(chǎn)系統(tǒng)和浮式結(jié)構(gòu)物的“神經(jīng)生命線”,隨著海洋油氣資源開(kāi)發(fā)深水化的推進(jìn),鋼制管線的重量制約著深水油氣開(kāi)發(fā)進(jìn)程。利用螺旋碳纖維增強(qiáng)桿代替臍帶纜中的鋼制鎧裝層,以實(shí)現(xiàn)臍帶纜的輕量化設(shè)計(jì),能夠有效解決深水油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中臍帶纜承載能力和自重之間的矛盾。論文運(yùn)用數(shù)學(xué)解析方法對(duì)螺旋碳纖維增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)的幾何建模進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)建立其理想接觸模型的參數(shù)化方程需要確定4個(gè)具體參數(shù)。采用各向異性的碳纖維材料,考慮結(jié)構(gòu)的徑向收縮以及裝配壓力作用,通過(guò)數(shù)學(xué)解析與有限元計(jì)算,推導(dǎo)計(jì)算螺旋碳纖維增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)在拉伸-扭轉(zhuǎn)耦合載荷下的剛度矩陣,發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)解析與有限元計(jì)算所得各剛度系數(shù)較為接近,吻合程度較好;結(jié)構(gòu)尺寸相同情況下,螺旋碳纖維增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)的各剛度系數(shù)均略小于鋼制螺旋增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu),但其重量?jī)H為后者的1/5左右。論文初步確定碳纖維增強(qiáng)臍帶纜的整體形式,進(jìn)行整體力學(xué)性能分析及水動(dòng)力分析,發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)臍帶纜較配置鋼制鎧裝層的臍帶纜具備更為優(yōu)異的力學(xué)性能,完全能夠滿足水深2700m以下的惡劣工作環(huán)境。論文為深水臍帶纜的輕量化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ),進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用的初步探索,推動(dòng)了深水油氣資源開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。
【圖文】：

圖 1.1 臍帶纜功能示意圖Fig. 1.1 Function schematic diagram of umbilical cable臍帶纜的多元功能特性導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的特殊性，臍帶纜結(jié)構(gòu)的組成包括能夠上述功能的各種構(gòu)件單元、執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能的功能性單元以及增強(qiáng)其剛度和強(qiáng)結(jié)構(gòu)性單元。結(jié)構(gòu)性單元提供整體的抗拉性能，為了滿足臍帶纜整體的線性性以及臍帶纜的存儲(chǔ)、集輸和安裝操作，臍帶纜也應(yīng)該滿足一定程度的彎曲性能，故其內(nèi)部單元均為非粘結(jié)螺旋增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)形式。螺旋增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)的主式為含內(nèi)部軸芯纏繞和無(wú)軸芯纏繞兩種形式[13]。臍帶纜內(nèi)部的螺旋增強(qiáng)形式能夠使臍帶纜結(jié)構(gòu)在承受拉伸、壓縮或彎曲等荷載作用下有效避免發(fā)生“解擰”情況，并且能夠使臍帶纜的制備與裝配更利。相對(duì)于直桿單元而言，螺旋增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)不僅具備同等程度的抗拉性能，扭性能以及抗彎性能均優(yōu)于直桿單元，，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的海洋油氣開(kāi)采。同時(shí)，螺旋增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對(duì)臍帶纜整體的設(shè)計(jì)與分析提出了更高的

中國(guó)石油大學(xué)（北京）碩士專業(yè)學(xué)位論文以及當(dāng)代計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，螺旋增強(qiáng)桿結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析可以通過(guò)有限元數(shù)值模擬的分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，用以解決這種多體非線性分析計(jì)算。針對(duì)超深水的海洋油氣開(kāi)采，結(jié)構(gòu)形式的改變已經(jīng)無(wú)法滿足材料自身缺陷帶來(lái)的問(wèn)題，目前應(yīng)用于海洋油氣開(kāi)采設(shè)備的傳統(tǒng)鋼制材料面臨著如下問(wèn)題[14]：（1）鋼制設(shè)備隨著工作水深增大導(dǎo)致其自重過(guò)大，致使上部承載力增大；（2）深海工作環(huán)境對(duì)鋼制設(shè)備的腐蝕作用導(dǎo)致維修及更換工作十分困難；（3）深水工作環(huán)境下的巨大壓力載荷對(duì)某些鋼制結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。臍帶纜作為海洋油氣開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，隨著工作水深的增加，鋼制材料的自重問(wèn)題凸顯，碳纖維復(fù)合材料與鋼制材料并用或直接使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行裝備制造能夠有效地解決水深帶來(lái)的張力載荷過(guò)大的問(wèn)題。臍帶纜的結(jié)構(gòu)形式與單元材料均發(fā)生了相應(yīng)的變化，經(jīng)歷的 5 個(gè)階段如圖 1.2 所示。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE952

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張克超;郭海燕;趙偉;李偉民;;海洋臍帶纜截面力學(xué)性能分析與數(shù)值模擬[J];中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2019年S1期

2 楊志勛;馬國(guó)君;閻軍;盧青針;岳前進(jìn);;基于半數(shù)值方法的臍帶纜拉彎能力曲線分析研究[J];船舶力學(xué);2018年02期

3 侯靜;高原;石錦坤;魏偉榮;;荔灣3-1氣田深水臍帶纜豎直鋪設(shè)技術(shù)研究與應(yīng)用[J];海洋工程;2018年05期

4 魏會(huì)東;苗春生;尹漢軍;姜瑛;邢厚寬;;水下臍帶纜終端設(shè)施的研制及應(yīng)用[J];石油機(jī)械;2015年04期

5 王文明;張仕民;徐克彬;李寅;郭志平;王曉華;郭毅;;海洋臍帶纜張緊器總體方案設(shè)計(jì)[J];石油礦場(chǎng)機(jī)械;2013年05期

6 文綱;段夢(mèng)蘭;王德國(guó);王瑩瑩;劉軍鵬;曾礦遙;;臍帶纜液壓管線材料的應(yīng)用特點(diǎn)與選擇分析[J];石油工程建設(shè);2012年02期

7 閻軍;楊志勛;趙盼盼;胡海濤;盧青針;岳前進(jìn);;海洋工程鋼管臍帶纜截面強(qiáng)度可靠性分析[J];中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2018年01期

8 萬(wàn)波;陳景fg;楊清峽;蘇鋒;陳斌;;深水臍帶纜浮力塊配置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];石油礦場(chǎng)機(jī)械;2018年01期

9 陳凱;夏峰;陳金龍;潘矗直;;鋼管臍帶纜的設(shè)計(jì)技術(shù)[J];電線電纜;2018年01期

10 廖洪千;李懷亮;劉軍;王立權(quán);鞠明;;臍帶纜鋪設(shè)中張緊器總體方案設(shè)計(jì)[J];機(jī)電信息;2015年36期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 王旭頡;盧青針;尹原超;李潤(rùn)東;王東;;動(dòng)態(tài)臍帶纜鎧裝鋼絲摩擦磨損行為研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)論文集（CCTAM 2019）[C];2019年

2 張大朋;白勇;朱克強(qiáng);張?zhí)煊?毛W毞

本文編號(hào)：2703490