深海鋼懸鏈立管的疲勞及隨機(jī)動(dòng)力優(yōu)化分析研究.pdf

1、人類對(duì)深海油氣資源開(kāi)采需求日益迫切，鋼懸鏈立管（SCR）作為深海油氣資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備之一，其整體形態(tài)和局部裝置具有顯著的非線性特征，在其設(shè)計(jì)、分析、安裝和安全服役等方面存在諸多挑戰(zhàn)。
　　立管頂部應(yīng)力接頭是連接立管主體和平臺(tái)的裝置，是深海鋼懸鏈立管的關(guān)鍵部位之一，為立管提供初始彎曲剛度和懸掛角，承受大交變張力和彎曲作用，易發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致油氣泄漏，進(jìn)而危及整個(gè)采油系統(tǒng)的安全。該區(qū)域涉及管與接頭的復(fù)雜接觸作用，具有顯著的狀態(tài)非線

2、性，應(yīng)力接頭區(qū)域是深海鋼懸鏈立管數(shù)值分析的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)之一，亟待細(xì)化深入的研究。
　　另外，深海立管占整個(gè)開(kāi)采系統(tǒng)的成本隨深度增加而顯著增大，在確保結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，對(duì)深海鋼懸鏈立管進(jìn)行降低成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。海洋環(huán)境中的立管在材料、尺寸、載荷等方面具有隨機(jī)性，由此導(dǎo)致的計(jì)算分析結(jié)果均具有不確定性，故傳統(tǒng)確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在實(shí)際工作狀態(tài)中可能存在安全可靠度不足的問(wèn)題，因此進(jìn)行考慮隨機(jī)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)立管安全生產(chǎn)十分重要。

3、
　　研究基于深海鋼懸鏈立管的整體動(dòng)力分析對(duì)頂端應(yīng)力接頭進(jìn)行深入的探討，并對(duì)整體和局部模型進(jìn)行隨機(jī)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要工作如下：
　　1.海洋環(huán)境載荷下鋼懸鏈立管的整體動(dòng)力和疲勞分析
　　利用解析和數(shù)值相結(jié)合的方法獲得了鋼懸鏈立管的整體初始靜平衡形態(tài)，在靜平衡形態(tài)的基礎(chǔ)上對(duì)立管進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，和隨后的疲勞分析。分析結(jié)果展現(xiàn)了鋼懸鏈立管整體的薄弱點(diǎn)位于頂端懸掛區(qū)域和觸地點(diǎn)附近區(qū)域。
　　2.兩種鋼懸鏈立管頂端應(yīng)力接

4、頭的疲勞壽命估算
　　討論了兩種應(yīng)力接頭，即錐形應(yīng)力接頭（TSJ）和套管應(yīng)力接頭（SSJ）。將鋼懸鏈立管整體動(dòng)力分析得到的局部響應(yīng)信號(hào)加載于接頭局部模型上，對(duì)兩種接頭進(jìn)行動(dòng)力分析，根據(jù)多軸疲勞理論對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命估算。接頭的參數(shù)分析展示了幾何參數(shù)的改變對(duì)結(jié)構(gòu)壽命的影響程度及趨勢(shì)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
　　3.鋼懸鏈立管的動(dòng)力隨機(jī)性優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
　　探討了鋼懸鏈立管的動(dòng)力隨機(jī)性優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)用單循環(huán)的可靠度優(yōu)化方法降

5、低了優(yōu)化迭代次數(shù)，利用代理模型技術(shù)減少了優(yōu)化過(guò)程中有限元程序的調(diào)用次數(shù)。所用的優(yōu)化策略顯著提高了運(yùn)算效率，得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在滿足一定可靠度的前提下最大限度的降低了結(jié)構(gòu)成本，科學(xué)的兼顧了立管經(jīng)濟(jì)性和安全性的雙重需求，克服了傳統(tǒng)確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可靠度不足的問(wèn)題。
　　研究通過(guò)對(duì)深海鋼懸鏈立管的整體分析，表明頂端接頭為深海鋼懸鏈立管結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)之一；通過(guò)對(duì)兩種頂端局部應(yīng)力接頭模型的深入分析研究，展示了其各自的力學(xué)特性；通過(guò)隨機(jī)動(dòng)力分