隨著海洋油氣開發(fā)持續(xù)向深水推進,非粘合柔性軟管的應用越來越廣泛。與傳統(tǒng)鋼管相比,尤其當管體需要承受較大的彎曲變形時,柔性軟管有著諸多優(yōu)點。然而由于自身結構的復雜性,要確定其力學特性和結構響應從來都非易事。螺旋層的存在為此引入了諸多的不確定性,特別是對于彎曲響應。當用作海洋立管時,其與浮式平臺的連接部位由于受到動力載荷的作用,極易發(fā)生過度彎曲或疲勞失效。彎曲剛度加強件(Bend Stiffener, BSR)則為其提供了一個彎曲剛度的過渡區(qū)域,以保證柔性立管的安全。 本文的主要任務是建立相應的理論模型來分析柔性立管-BSR這一系統(tǒng)的力學特性和結構響應,主要包括柔性立管的截面分析和BSR的非線性響應分析。此外,柔性立管的疲勞分析也是本文一個重要的研究內(nèi)容。 非粘合柔性軟管的截面分析可以分為軸對稱響應分析和彎曲響應分析。本文建立了柔性軟管在軸向力、扭矩以及內(nèi)外壓等軸對稱載荷作用下的響應分析模型。首先基于能量法推導出軟管各層的平衡方程并寫成矩陣形式,得到其剛度矩陣；然后將各層剛度矩陣進行組裝并考慮邊界條件得到總剛度矩陣；進而通過迭代求解出所有變量。該模型可自行判斷各層之間可能發(fā)生的分離并相應調(diào)整層間的接觸壓力,因而可以考慮軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的耦合以及載荷施加的方向。Rough Bore型和Smooth Bore型的差別也通過調(diào)整載荷向量的方式進行了考慮。 通過將各層的彎曲響應函數(shù)相加,建立了柔性軟管的彎曲響應分析模型。對于螺旋層,通過將其模擬為等效的圓管,推導出無滑移和完全滑移之間這一過渡段的彎矩-曲率關系以及彎曲剛度-曲率關系的顯式表達,成功模擬了過渡段的非線性彎曲行為。正確考慮了螺旋條帶局部彎曲和扭轉(zhuǎn)的貢獻,結果表明其對完全滑移剛度有較大影響,應在彎曲分析時予以考慮。此外,對初始接觸壓力的重要性也進行了討論。該模型顯式地描述了循環(huán)彎曲時柔性軟管的彎曲遲滯行為。 截面分析的理論計算均與現(xiàn)有文獻中實驗測試的結果進行了比較,二者吻合良好。 給出一種BSR的錐形設計方法,并推導出其尖部轉(zhuǎn)角的解析表達式。建立了柔性立管-BSR系統(tǒng)的非線性響應分析模型,首次同時考慮了幾何非線性、材料非線性以及柔性立管非線性的彎矩-曲率關系等非線性因素。此外,給出一種確定BSR截面彎矩-曲率關系的理論方法,大大簡化了其本構關系的計算。 柔性立管的疲勞性能一直是設計時需要考慮的重要因素之一,立管與浮式平臺的連接部位則是一個容易發(fā)生疲勞失效的危險區(qū)域�；贚onguet-Higgins分布將表征長期海況的波浪散布圖分解為單個規(guī)則波的散布圖,以此進行柔性立管的疲勞分析,并與隨機波法的計算結果進行了比較。結果表明：波浪散布圖的離散應充分考慮系統(tǒng)響應的影響；若將波浪散布圖離散得較為理想,則采用規(guī)則波法計算得到的疲勞壽命將和隨機波法的結果較為接近。此外,通過參數(shù)敏感性分析討論了諸多重要因素對疲勞壽命的影響。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：P756.2

【參考文獻】

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本文編號：2807845