本文關(guān)鍵詞：深水柔性立管截面力學(xué)模型與疲勞壽命分析研究

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【摘要】：非粘結(jié)柔性立管是海洋油氣開采的生命線。隨著海洋油氣勘探和開采逐漸向深水發(fā)展,復(fù)雜的深水海洋環(huán)境給柔性立管的應(yīng)用帶了更大的挑戰(zhàn)。作為立管系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,柔性管的分析和設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。在系統(tǒng)地總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及分析國內(nèi)外發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上,本文對柔性管在軸對稱荷載和彎曲荷載下的截面力學(xué)性能、截面橢圓化對柔性管彎曲性能的影響以及柔性管的疲勞壽命等一系列問題進(jìn)行了深入的研究,系統(tǒng)地建立了一套柔性管疲勞壽命分析的方法,主要研究工作為以下幾個(gè)方面:1)深水柔性管軸對稱荷載截面力學(xué)理論模型研究基于柔性管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以螺旋單元和圓柱單元為分析對象展開研究,建立螺旋單元在軸對稱荷載下的位移應(yīng)變關(guān)系,并在螺旋單元軸向應(yīng)變的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入徑向應(yīng)變和曲率、扭率變化對螺旋層結(jié)構(gòu)剛度的影響。采用罰函數(shù)法將層與層之間的接觸約束條件引入柔性管的整體剛度矩陣,得到柔性管在軸對稱荷載下的理論模型。將理論模型的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證本文理論模型的正確性。2)深水柔性管軸對稱荷載數(shù)值模型及響應(yīng)研究基于非線性通用有限元軟件ABAQUS,提出合理的柔性管軸對稱荷載數(shù)值計(jì)算模型,將抗拉鎧裝層中的螺旋條帶用梁單元模擬,并充分考慮了柔性管層與層之間的接觸問題,計(jì)算得到柔性管在軸對稱荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),將計(jì)算結(jié)果與本文提出的柔性管軸對稱荷載理論模型進(jìn)行對比,驗(yàn)證本文有限元模型的有效性和實(shí)用性。采用理論模型進(jìn)一步對柔性管的軸對稱響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)分析,得到引起柔性管軸向剛度和徑向剛度變化的影響因素。3)深水柔性管彎曲荷載理論模型及響應(yīng)研究以Kebadze的彎曲理論模型為基礎(chǔ),從螺旋條帶的軸向平衡為起點(diǎn),推導(dǎo)出螺旋條帶在彎曲變形下的臨界曲率、軸力以及彎曲剛度�；趯I(yè)柔性管有限元軟件BFLEX,建立螺旋條帶的彎曲數(shù)值模型,計(jì)算螺旋條帶在彎曲荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),揭示了螺旋條帶軸向滑移和橫向滑移對柔性管彎曲性能的影響,并與本文提出的彎曲理論模型進(jìn)行對比,驗(yàn)證本文彎曲理論模型的準(zhǔn)確性和有效性。進(jìn)一步基于彎曲理論模型,探究了外壓、摩擦系數(shù)和纏繞角度對柔性管抗拉鎧裝層彎曲性能的影響。4)深水柔性管截面橢圓化對彎曲性能影響研究針對柔性管在彎曲變形中截面的橢圓化問題,在柔性管彎曲理論模型的基礎(chǔ)上,建立了一個(gè)考慮截面橢圓化的柔性管彎曲理論模型,推導(dǎo)了在彎曲變形下螺旋條帶軸力、臨界曲率以及彎曲剛度的表達(dá)式,并和柔性管的彎曲理論模型進(jìn)行對比,驗(yàn)證模型的有效性�；谠撃Ｐ�,進(jìn)一步探究在彎曲變形下截面橢圓化對柔性管彎曲性能的影響。5)深水柔性管抗拉鎧裝層疲勞壽命分析研究基于非線性有限元軟件OrcaFlex,建立了合理的柔性管整體分析模型。模型考慮了柔性管與平臺連接處的防彎器,并在隨機(jī)波浪、海流以及平臺運(yùn)動(dòng)的共同作用下對柔性管進(jìn)行非線性時(shí)域動(dòng)力響應(yīng)分析,得到管道的荷載響應(yīng)時(shí)程曲線。然后將整體分析的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于本文的局部分析模型,得到柔性管抗拉鎧裝層的應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程曲線。最后基于S-N曲線和Miner線性累積損傷理論,對柔性管抗拉鎧裝層進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算,確定柔性立管最易發(fā)生應(yīng)力疲勞失效的部位,并進(jìn)一步探究了平均應(yīng)力修正、摩擦系數(shù)和截面橢圓化對疲勞壽命的影響。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE952

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本文編號：1257515