非線性有限元法在海底管道鋪設中的應用.pdf

1、鋪管船法鋪設中的海底管道，一端置于海底，另一端依托于鋪管船，中間是一段較長的懸跨段，為保證懸跨段管道不發(fā)生屈曲變形，必須根據(jù)鋪設時的海洋環(huán)境及時地對管道的力學性質進行分析，以確定合理的鋪管船作業(yè)參數(shù)。鋪設中的懸跨段管道具有幾何非線性性質，其懸跨長度及著地點的受力未知，使得問題的求解難度增加。經(jīng)過三十多年的研究，雖然分析方法多種多樣，但仍沒有很好地解決速度、精度和通用性三者之間的問題。目前我國還沒有開發(fā)出適用于工程實際的管道分析軟件，尤其

2、是深海管道鋪設及其相關技術的研究，在國內仍屬空白。 國內由于海底管道鋪設的需要，急需解決管道鋪設時力學性質的分析計算方法這一難題。本文來源于中國石油天然氣總公司“九五”重大技術與設備攻關課題“灘海鋪管敷纜裝置研制”，針對我國第一艘灘海鋪管敷纜船設計和制造的技術問題，對海底管道的力學性質及相關設備等問題作了深入的研究。 本文采用非線性有限元理論把微分方程建立在管道微段受力平衡的基礎上，將懸跨段管道視為空間連續(xù)曲線，利用有限

3、差分法將微分方程離散化，導出管道微元的單元剛度矩陣，應用有限單元法組成總體剛度陣，應用超松弛迭代法求解。這種方法既充分考慮了管道的彈性，非線性、幾何大變形問題，又能夠方便的適應于計算機的數(shù)值計算。使用本文方法能夠分析多種鋪管形式下的靜態(tài)和動態(tài)懸跨管道，可處理復雜受力和邊界條件，計算速度快，很好地解決了管道分析中速度、精度和通用性之間的關系。 在理論分析和計算的基礎上，本文使用matlab編制了海底管道分析程序，并且分別對二維受力