基于總體坐標(biāo)法的深水柔性桿件動(dòng)力分析.pdf

1、立管和錨鏈線等柔性構(gòu)件是海洋工程的重要組成部分，對(duì)保障深水油氣開發(fā)系統(tǒng)的安全性起關(guān)鍵作用。深水立管和錨鏈線具有剛度小、易拉伸、易彎曲的特點(diǎn)，其幾何非線性因素對(duì)力學(xué)性能分析影響較大，不能再使用傳統(tǒng)的小變形線性理論計(jì)算。因此，本文根據(jù)總體坐標(biāo)法和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)相關(guān)理論，建立了一種適用于柔性構(gòu)件大變形的力學(xué)模型，對(duì)深水柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，并與傳統(tǒng)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較和分析。依據(jù)總體坐標(biāo)法形成的結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣為常值對(duì)稱方陣，離心力和科氏

2、力為零，使用斜率代替轉(zhuǎn)角坐標(biāo)，避免了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，簡化了計(jì)算程序，可求解變剛度問題，有限元離散吐可作等參元處理，具有編程靈活方便，計(jì)算快捷高效的優(yōu)點(diǎn)。本文主要研究工作如下:
　　首先，基于總體坐標(biāo)法中的能量變分法，用斜率坐標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)角坐標(biāo)，根據(jù)虛功原理推導(dǎo)得出單元的廣義彈性力和剛度矩陣，計(jì)算得出單元的常質(zhì)量矩陣和外載荷矩陣，得到運(yùn)動(dòng)方程中各項(xiàng)的表達(dá)式。再依據(jù)有限元法原理進(jìn)行單元組裝，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和外載荷矩陣，

3、形成靜力平衡方程和運(yùn)動(dòng)方程。
　　然后，利用Fortran語言編寫靜力分析和動(dòng)力分析的程序，并選取簡單算例對(duì)程序的正確性和精確性進(jìn)行初步驗(yàn)證。保證程序能正確運(yùn)行后，選取海洋工程中典型的柔性構(gòu)件——錨鏈線進(jìn)行靜力分析。具體方法為頂端鉸接，底端施加水平張力，考慮重力和浮力影響，選取不同張力參數(shù)，采用牛頓-拉斐遜迭代法進(jìn)行靜力分析，得到錨鏈線靜力平衡的空間形態(tài)，與懸鏈線理論的解析解比較，為動(dòng)力響應(yīng)分析作好準(zhǔn)備。
　　最后，選取鋼懸

4、鏈立管進(jìn)行動(dòng)力分析。動(dòng)力分析考慮流載荷影響，對(duì)立管觸地段進(jìn)行海底條件模擬，端點(diǎn)鉸接處采用對(duì)角元素歸一法處理，然后對(duì)立管施加不同擾動(dòng)，采用Newmark法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)深水立管的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。
　　總之，本文基于能量變分總體坐標(biāo)法，建立了適用于海洋工程中柔性構(gòu)件大變形問題的力學(xué)模型，并通過Fortran語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深水立管或錨鏈線等柔性結(jié)構(gòu)的靜力與動(dòng)力計(jì)算，取得了較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。能量變