本文關(guān)鍵詞：深水柔性立管及附件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵力學(xué)問題研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：復(fù)合柔性立管是深水油氣開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備。不僅要求較小的彎曲半徑,還要求具有較大的抗外壓、抗內(nèi)壓、抗拉伸的能力及長期可靠的疲勞壽命,因此在柔性管道的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試、制造、安裝等方面均存在許多極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵力學(xué)問題。當(dāng)前,只有少數(shù)國外公司具備柔性管道及附件的設(shè)計(jì)與制造能力,不僅價(jià)格昂貴而且采購周期很長,嚴(yán)重制約了我國深水油氣資源開發(fā)的進(jìn)程和效益。典型的深水柔性立管系統(tǒng)包括管體及防彎器等附件,每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都涉及比較復(fù)雜的力學(xué)問題。特別需要指出的是,這其中關(guān)鍵是如何通過金屬鎧裝層的設(shè)計(jì),控制深水環(huán)境下靜水外壓引起的屈曲失效與環(huán)境載荷引起的動(dòng)態(tài)疲勞失效的發(fā)生。而為了對(duì)疲勞壽命進(jìn)行設(shè)計(jì),首先需要對(duì)立管在由于自重、浮體升沉運(yùn)動(dòng)等引起的軸向拉伸力與環(huán)境載荷、浮體運(yùn)動(dòng)等引起的曲率半徑作用下的復(fù)雜力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確分析與評(píng)價(jià)。此外,對(duì)于高性能防彎器設(shè)計(jì),不僅要滿足立管最小彎曲半徑要求,更要實(shí)現(xiàn)抗疲勞性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的多目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。因此,對(duì)于先進(jìn)的柔性立管及附件設(shè)計(jì),涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域多個(gè)前沿課題。本文依托國家“十二五”863項(xiàng)目“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”專題(2012AA09A212),對(duì)柔性立管及附件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵力學(xué)問題進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。針對(duì)管體設(shè)計(jì),首先建立并完善了深水柔性立管臨界壓潰力、抗拉剛度、最小彎曲半徑(MBR)與疲勞壽命等設(shè)計(jì)指標(biāo)的理論分析模型,并采用數(shù)值模型與原型測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)與方法進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí),在防彎器設(shè)計(jì)中建立了多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。本文主要研究內(nèi)容、方法與結(jié)論概括如下：(1)柔性立管抗外壓設(shè)計(jì)的應(yīng)變能等效與計(jì)及加工缺陷的骨架層屈曲行為分析。為了增加徑向剛度,同時(shí)不增加彎曲剛度,深水柔性立管采用了具有互鎖截面的金屬骨架層設(shè)計(jì)。由于骨架層結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,使其抗外壓屈曲設(shè)計(jì)與分析面臨建模與計(jì)算上的挑戰(zhàn)。本章提出了基于應(yīng)變能等效的抗屈曲設(shè)計(jì)方法,并通過對(duì)三組不同尺寸骨架層試件的徑向剛度測(cè)試對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。建立了考慮缺陷骨架層外壓下屈曲行為的三維有限元分析模型,并對(duì)骨架層成型過程進(jìn)行了三維有限元模擬,計(jì)算鋼板輥軋和扣壓互鎖過程所產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力。以某4寸海洋柔性管道骨架層為例,對(duì)其臨界壓潰力進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析,并定量討論了初始橢圓度、材料非線性以及加工殘余應(yīng)力等缺陷對(duì)骨架層臨界壓潰力的影響。本章提出骨架層抗外壓屈曲設(shè)計(jì)方法與分析模型為深水柔性立管抗屈曲設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)。(2)柔性立管抗拉剛度的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。海洋柔性立管采用多根鋼絲螺旋纏繞圓柱結(jié)構(gòu)以增加軸向拉伸剛度,同時(shí)降低彎曲剛度。本章考慮內(nèi)核圓柱的徑向收縮效應(yīng),建立了螺旋鋼絲纏繞圓柱抗拉剛度的解析模型。同時(shí)建立了分析柔性管道軸向拉伸力學(xué)行為的三維有限元分析模型,并提出了驗(yàn)證解析模型與數(shù)值模型的拉伸剛度測(cè)試方法。通過4寸內(nèi)徑柔性管道拉伸剛度實(shí)驗(yàn)室原型測(cè)試,驗(yàn)證了本章提出模型的正確性；以8寸內(nèi)徑深水柔性立管為例,進(jìn)一步探討了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于管道拉伸剛度的影響。本章提出的抗拉剛度分析模型為海洋柔性管道抗拉設(shè)計(jì)提供有效的技術(shù)手段,同時(shí)為疲勞荷載分析與疲勞應(yīng)力計(jì)算提供理論支持。(3)柔性立管最小彎曲半徑的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。為了降低彎曲剛度,柔性立管金屬鎧裝層均采用螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)形式。基于目前已有的螺旋鋼絲彎曲應(yīng)力解析模型不足,提出了基于Spring(彈簧)理論的預(yù)測(cè)模型。同時(shí)建立螺旋纏繞鎧裝鋼絲的三維高精度有限元數(shù)值模型,對(duì)特定曲率下鋼絲的局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。并以此數(shù)值分析結(jié)果為依據(jù),對(duì)不同截面長寬比與螺旋纏繞角度情況下解析模型的適用性進(jìn)行研究,進(jìn)而驗(yàn)證所提解析模型的合理性。進(jìn)而對(duì)于螺旋鋼絲不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)MBR的影響進(jìn)行了分析,為柔性管道MBR快速設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)本章提出的螺旋鋼絲彎曲應(yīng)力分析方法為柔性立管疲勞應(yīng)力計(jì)算提供理論支持。(4)考慮層間摩擦的柔性立管抗疲勞設(shè)計(jì)與疲勞測(cè)試驗(yàn)證。金屬螺旋鎧裝層間的接觸摩擦等強(qiáng)非線性因素使得海洋柔性立管疲勞壽命設(shè)計(jì)與分析存在關(guān)鍵力學(xué)問題的挑戰(zhàn),也成為當(dāng)前國際海洋工程界研究的熱點(diǎn)問題之一。本章基于安全壽命設(shè)計(jì)方法提出了海洋柔性立管疲勞壽命的預(yù)測(cè)模型與流程。建立了柔性管道非線性彎曲剛度的理論與有限元分析模型,并通過彎曲剛度測(cè)試結(jié)果對(duì)上述模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證�；诖�,提出了基于非線性彎曲剛度的整體荷載分析模型。建立了海洋柔性立管非線性疲勞應(yīng)力的理論分析模型,包括拉伸、彎曲以及層間摩擦所引起的交變應(yīng)力組份。以1500米水深的8寸內(nèi)徑柔性立管為例,對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)各種非線性因素與平均應(yīng)力的影響進(jìn)行討論。此外,提出了基于純彎曲交變加載的柔性管道疲勞測(cè)試方法。以4寸內(nèi)徑柔性管道為例,對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度測(cè)試,并通過修正材料S-N曲線實(shí)現(xiàn)定量考慮層間磨損等不確定因素對(duì)疲勞壽命的影響。本章所提疲勞測(cè)試方法對(duì)模擬實(shí)際工況疲勞試驗(yàn)無法驗(yàn)證疲勞壽命設(shè)計(jì)進(jìn)行了有力補(bǔ)充。(5)柔性立管高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。柔性立管高性能防彎器設(shè)計(jì)不僅需要滿足立管最小彎曲半徑要求,還要同時(shí)具備抗疲勞性與經(jīng)濟(jì)性。本章考慮防彎器材料非線性和幾何大變形,建立了柔性立管上彎段曲率分布的解析分析模型,同時(shí)建立三維有限元數(shù)值模型對(duì)解析模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。以8寸柔性立管防彎器設(shè)計(jì)為例,分析了不同材料行為與形狀參數(shù)對(duì)柔性立管曲率分布的影響。以柔性立管抗疲勞性能和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù),采用基于代理模型的優(yōu)化方法對(duì)防彎器結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化,討論了不同優(yōu)化算法的計(jì)算精度和效率。同時(shí)給出了實(shí)例優(yōu)化設(shè)計(jì)的帕累托前沿,指導(dǎo)優(yōu)化結(jié)果的工程應(yīng)用。提出了一種基于樣條曲線的新型防彎器構(gòu)型,并通過與其他傳統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)型下的曲率結(jié)果比較驗(yàn)證了其在立管曲率改進(jìn)方面的優(yōu)勢(shì),為高性能防彎器的工程設(shè)計(jì)提供新的思路。本文提出的設(shè)計(jì)方法、分析模型與所得結(jié)論為安全、高效的設(shè)計(jì)深水柔性立管與附件提供了強(qiáng)有力的理論支持。
【關(guān)鍵詞】：深水柔性立管 失效模式 屈曲壓潰 疲勞壽命 高性能防彎器
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O346.2
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• TABLE OF CONTENTS15-18
• 圖目錄18-22
• 表目錄22-24
• 主要符號(hào)表24-25
• 1 緒論25-71
• 1.1 研究背景與意義25-32
• 1.1.1 研究背景25-27
• 1.1.2 發(fā)展歷史與趨勢(shì)27-32
• 1.2 海洋柔性立管荷載需求32-35
• 1.2.1 環(huán)境荷載32-34
• 1.2.2 荷載工況34-35
• 1.3 海洋柔性立管設(shè)計(jì)內(nèi)容35-38
• 1.3.1 柔性立管結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)36
• 1.3.2 柔性立管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)36-38
• 1.4 海洋柔性立管設(shè)計(jì)分析方法38-43
• 1.4.1 基于規(guī)范的設(shè)計(jì)方法38-39
• 1.4.2 基于控制主要失效模式的設(shè)計(jì)方法39-43
• 1.4.3 海洋柔性立管分析方法43
• 1.5 海洋柔性立管附件設(shè)計(jì)分析方法43-46
• 1.5.1 防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法44-45
• 1.5.2 接頭分析方法45-46
• 1.6 國內(nèi)外研究進(jìn)展46-67
• 1.6.1 海洋柔性立管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析研究進(jìn)展46-64
• 1.6.2 海洋柔性立管加工制造研究進(jìn)展64-65
• 1.6.3 海洋柔性立管關(guān)鍵附件設(shè)計(jì)研究進(jìn)展65-67
• 1.7 本文主要研究思路67-71
• 2 海洋柔性立管抗外壓屈曲設(shè)計(jì)與分析71-98
• 2.1 海洋柔性立管抗屈曲設(shè)計(jì)方法71-85
• 2.1.1 等效圓環(huán)屈曲的解析分析模型71-74
• 2.1.2 基于應(yīng)變能的骨架層等效方法74-79
• 2.1.3 徑向剛度測(cè)試方法與等效結(jié)果驗(yàn)證79-85
• 2.2 骨架層壓潰的有限元分析模型85-86
• 2.3 骨架層加工成型分析86-92
• 2.3.1 鋼板輥軋成型的有限元分析88-91
• 2.3.2 骨架層扣壓成型的有限元分析91-92
• 2.4 海洋柔性立管抗屈曲設(shè)計(jì)分析實(shí)例92-97
• 2.4.1 基于應(yīng)變能等效的骨架層臨界壓潰力設(shè)計(jì)92
• 2.4.2 不同缺陷對(duì)骨架層屈曲行為影響92-97
• 2.5 本章小結(jié)97-98
• 3 海洋柔性立管抗拉伸設(shè)計(jì)與分析98-114
• 3.1 柔性立管拉伸剛度理論分析模型98-103
• 3.2 柔性立管拉伸剛度有限元分析模型103-105
• 3.3 柔性立管拉伸剛度測(cè)試方法105-106
• 3.4 柔性立管拉伸剛度分析實(shí)例106-113
• 3.4.1 淺水柔性管道拉伸剛度分析實(shí)例106-110
• 3.4.2 深水柔性立管拉伸剛度分析實(shí)例110-113
• 3.5 本章小結(jié)113-114
• 4 海洋柔性立管最小彎曲半徑(MBR)設(shè)計(jì)與分析114-135
• 4.1 螺旋纏繞鋼絲彎曲應(yīng)力的解析分析模型114-121
• 4.1.1 常用的彎曲應(yīng)力解析分析模型116-119
• 4.1.2 基于spring 理理_論的解析模型119-121
• 4.2 螺旋纏繞鋼絲彎曲應(yīng)力的有限元分析模型121-124
• 4.3 海洋柔性立管MBR分析實(shí)例124-128
• 4.4 解析模型適用性分析128-132
• 4.4.1 抗拉鎧裝鋼絲矩形截面長寬比的影響128-130
• 4.4.2 抗拉鎧裝鋼絲螺旋纏繞角度的影響130-132
• 4.5 螺旋鋼絲設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)管道MBR影響分析132-133
• 4.6 本章小結(jié)133-135
• 5 海洋柔性立管抗疲勞設(shè)計(jì)與分析135-173
• 5.1 柔性立管疲勞設(shè)計(jì)考慮要素135-140
• 5.1.1 疲勞失效構(gòu)件與失效模式136-137
• 5.1.2 疲勞壽命預(yù)測(cè)模型137-140
• 5.2 柔性立管非線性彎曲剛度分析方法140-151
• 5.2.1 柔性立管彎曲剛度理論分析模型140-144
• 5.2.2 柔性立管彎曲剛度有限元分析模型144-146
• 5.2.3 柔性立管彎曲剛度分析實(shí)例146-151
• 5.3 基于非線性彎曲剛度的整體荷載分析模型151-154
• 5.4 柔性立管非線性疲勞應(yīng)力分析方法154-157
• 5.5 柔性立管疲勞壽命設(shè)計(jì)分析實(shí)例157-164
• 5.5.1 整體荷載計(jì)算157-161
• 5.5.2 疲勞應(yīng)力分析161-162
• 5.5.3 疲勞壽命計(jì)算162-164
• 5.6 基于層間磨損的海洋柔性管道疲勞試驗(yàn)研究164-172
• 5.6.1 疲勞試驗(yàn)方法165-169
• 5.6.2 疲勞應(yīng)力分析模型169-171
• 5.6.3 管道疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證171-172
• 5.7 本章小結(jié)172-173
• 6 海洋柔性立管高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)173-194
• 6.1 防彎器作用下立管曲率分布的非線性解析模型173-179
• 6.1.1 解析模型173-176
• 6.1.2 實(shí)例分析176-179
• 6.2 防彎器作用下立管曲率分布的有限元分析模型179-181
• 6.3 基于代理模型的防彎器多目標(biāo)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)181-189
• 6.3.1 防彎器形狀設(shè)計(jì)參數(shù)181-183
• 6.3.2 防彎器形狀優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)183-184
• 6.3.3 防彎器形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)模型184-185
• 6.3.4 基于代理模型的優(yōu)化方法185-186
• 6.3.5 防彎器實(shí)例形狀優(yōu)化結(jié)果與討論186-189
• 6.4 基于樣條曲線的新型防彎器設(shè)計(jì)189-192
• 6.4.1 基于樣條曲線的新型防彎器概念189-190
• 6.4.2 結(jié)果對(duì)比與討論190-192
• 6.5 本章小結(jié)192-194
• 7 結(jié)論與展望194-198
• 7.1 結(jié)論194-196
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)196-197
• 7.3 展望197-198
• 參考文獻(xiàn)198-207
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果207-211
• 致謝211-212
• 作者簡介212

  本文關(guān)鍵詞：深水柔性立管及附件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵力學(xué)問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：327953