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深水柔性立管截面力學模型與疲勞壽命分析研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、非粘結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,復雜的深水海洋環(huán)境給柔性立管的應用帶了更大的挑戰(zhàn)。作為立管系統(tǒng)中的關鍵部分,柔性管的分析和設計就顯得尤為重要。在系統(tǒng)地總結國內外研究現狀以及分析國內外發(fā)展趨勢的基礎上,本文對柔性管在軸對稱荷載和彎曲荷載下的截面力學性能、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

2、個方面:
  1)深水柔性管軸對稱荷載截面力學理論模型研究
  基于柔性管的結構特點,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變關系,并在螺旋單元軸向應變的基礎上進一步引入徑向應變和曲率、扭率變化對螺旋層結構剛度的影響。采用罰函數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。將理論模型的計算結果和實驗結果進行對比,驗證本文理論模型的正確性。

3、  2)深水柔性管軸對稱荷載數值模型及響應研究
  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值計算模型,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,計算得到柔性管在軸對稱荷載下的結構響應,將計算結果與本文提出的柔性管軸對稱荷載理論模型進行對比,驗證本文有限元模型的有效性和實用性。采用理論模型進一步對柔性管的軸對稱響應進行參數分析,得到引起柔性管軸向剛度和徑向剛度變化的影響

4、因素。
  3)深水柔性管彎曲荷載理論模型及響應研究
  以Kebadze的彎曲理論模型為基礎,從螺旋條帶的軸向平衡為起點,推導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值模型,計算螺旋條帶在彎曲荷載下的結構響應,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行對比,驗證本文彎曲理論模型的準確性和有效性。進一步基于彎曲理論

5、模型,探究了外壓、摩擦系數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上,建立了一個考慮截面橢圓化的柔性管彎曲理論模型,推導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式,并和柔性管的彎曲理論模型進行對比,驗證模型的有效性。基于該模型,進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。

6、>  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,并在隨機波浪、海流以及平臺運動的共同作用下對柔性管進行非線性時域動力響應分析,得到管道的荷載響應時程曲線。然后將整體分析的計算結果應用于本文的局部分析模型,得到柔性管抗拉鎧裝層的應力響應時程曲線。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行疲勞壽命

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