深海復(fù)合材料懸鏈管線的時(shí)域疲勞分析及魯棒性優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著現(xiàn)有陸上及近海油氣資源儲量的日漸枯竭，再加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展對油氣資源的需求更為緊迫，使得近年來油氣勘探開采區(qū)域逐漸由原來的淺海作業(yè)轉(zhuǎn)向深海發(fā)展。深海管線作為連接海上鉆井設(shè)備與水下井口裝置，實(shí)現(xiàn)深海油氣輸送的關(guān)鍵設(shè)備之一，一直得到科研工作者的高度關(guān)注。然而，隨著水深的逐漸加深，傳統(tǒng)鋼制管線的重量急劇上升，這就需要海上鉆井設(shè)備提供更高的預(yù)緊張力。此外，水深增加也使得水下管線部分承受著極大的水壓力。一般認(rèn)為鋼制立管的水下開采極限深度不超過150

2、0米。然而，在已探明的海洋油氣資源中，有近三分之一是分布在水深超過1500米的極深甚至是超深水域中。為此，傳統(tǒng)鋼制立管將難以滿足深海油氣開采的需求，而具有更多性能優(yōu)勢的復(fù)合材料管線應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料管線不僅能夠保證具有與鋼制管線一樣的密閉性，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢所在，包括：材質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、良好的耐腐蝕及抗疲勞性能、高比強(qiáng)度與高比剛度等，這些優(yōu)越性能使復(fù)合材料管線能夠適應(yīng)更深水域、具備更長的服役生命周期。
　　常見的復(fù)合材料管線主

3、要分為非粘結(jié)性柔性管線和粘結(jié)性剛性立管兩大類。其中，非粘結(jié)性柔性管線由可以相互滑移的性能增強(qiáng)層組成；而粘結(jié)性剛性立管則由核心增強(qiáng)層與纖維纏繞層構(gòu)成。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所處的深海環(huán)境又極為惡劣，因此對復(fù)合材料管線的設(shè)計(jì)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先是多層非粘結(jié)性柔性管線的局部力學(xué)性能不清晰、層與層之間的力學(xué)關(guān)系難以描述以及各向異性的本構(gòu)關(guān)系增加了分析的難度；其次是復(fù)合材料管線眾多的設(shè)計(jì)變量以及設(shè)計(jì)過程中巨大的時(shí)間代價(jià)；最后是復(fù)合材料管線服役環(huán)

4、境的多變性、結(jié)構(gòu)性能的不確定性以及在制造安裝過程中的偏差性等問題都將導(dǎo)致管線在最后服役期間的安全可靠性得不到有效地保障。
　　本文針對深海復(fù)合材料管線面臨的諸多挑戰(zhàn)，進(jìn)行了以下主要研究工作：
　　1.通過整體等效分析法對多層復(fù)合材料管線進(jìn)行計(jì)算，得到整體拉伸剛度和彎曲剛度，建立等效后的有限元分析模型，求解相應(yīng)的內(nèi)力響應(yīng)；再利用多層應(yīng)力分配法，將整體內(nèi)力響應(yīng)轉(zhuǎn)換到各個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層上，從而得到層與層的內(nèi)力響應(yīng)以及層間的相互關(guān)系

5、；最后通過Miner累積損傷理論和S-N曲線求得深海復(fù)合材料管線各個(gè)功能層的疲勞壽命，為精確求解復(fù)合材料管線疲勞壽命提供新的方法與思路。
　　2.針對復(fù)合材料設(shè)計(jì)變量多，設(shè)計(jì)耗時(shí)長的特點(diǎn)，本文采用整體-局部分析法在保證計(jì)算精度的前提下簡化了模型構(gòu)建，提高了設(shè)計(jì)效率。利用經(jīng)典層合板理論進(jìn)行整體分析，得到任意材料屬性、鋪角形式、疊層順序以及層合板厚度的復(fù)合材料管線的剛度矩陣及相應(yīng)的等效模量，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的邊界依據(jù)。