【摘要】：水下生產(chǎn)系統(tǒng)是目前深水油氣開采的重要生產(chǎn)模式,具有巨大的應(yīng)用前景,而動態(tài)臍帶纜作為連接上部浮體與水下生產(chǎn)設(shè)備的通道,是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。臍帶纜的彎曲剛度是衡量其力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一,臍帶纜的彎曲剛度的準(zhǔn)確評估是強度和疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。由于臍帶纜內(nèi)部的螺旋結(jié)構(gòu)的存在,使得內(nèi)部構(gòu)件之間的滑移嚴(yán)重影響臍帶纜的彎曲性能。首先,本文針對一階螺旋結(jié)構(gòu),應(yīng)用Frenet標(biāo)架和Darboux標(biāo)架分別建立螺旋曲線彎曲變形前后空間的坐標(biāo)系,推導(dǎo)彎曲載荷作用下螺旋結(jié)構(gòu)的局部變形,考慮螺旋結(jié)構(gòu)與內(nèi)層構(gòu)件的接觸和摩擦作用,建立單層及雙層螺旋結(jié)構(gòu)的非線性偏微分平衡方程組,并研究了螺旋角和摩擦系數(shù)對螺旋結(jié)構(gòu)滑移的影響。研究結(jié)果表明,螺旋結(jié)構(gòu)的滑移變化隨螺旋極角呈類似三角函數(shù)的周期性變化;切向和副法向滑移隨螺旋角增大而減小,隨摩擦系數(shù)增大而減小。在螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部相互作用研究的基礎(chǔ)上,以我國自主研發(fā)的目標(biāo)臍帶纜初樣為原型研究了臍帶纜的彎曲性能。分別建立無鎧裝臍帶纜和鎧裝臍帶纜數(shù)學(xué)模型,基于螺旋結(jié)構(gòu)的微分平衡方程,首先分析了內(nèi)部螺旋結(jié)構(gòu)的局部滑移及受力,對比了內(nèi)、外層鎧裝鋼絲的滑移和受力區(qū)別。通過推導(dǎo)臍帶纜的彎矩—曲率關(guān)系得出純彎曲載荷作用下臍帶纜的彎曲剛度。為了驗證彎曲剛度的理論結(jié)果,應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立無鎧裝臍帶纜和雙層鎧裝臍帶纜的有限元模型,模擬臍帶纜的受彎曲載荷作用的變化過程,擬合臍帶纜彎曲變形后的形狀函數(shù),應(yīng)用其彎矩—曲率曲線分析臍帶纜的彎曲剛度。對比結(jié)果表明,本文所提出的理論分析方法在全滑動階段與有限元模擬的彎曲剛度比較接近,能夠?qū)崿F(xiàn)臍帶纜彎曲性能的快速評估,為臍帶纜的初步設(shè)計階段提供理論基礎(chǔ)。
【圖文】：

水下生產(chǎn)系統(tǒng)

保證作業(yè)的安全性。臍帶纜的發(fā)展歷史是人類不斷探索海洋、挑戰(zhàn)自然、追求技術(shù)的真實寫照，，是海洋工程的開發(fā)生產(chǎn)過程的重要縮影。圖1-2 鋼管臍帶纜結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)臍帶纜工作的海洋環(huán)境及在位狀態(tài)，臍帶纜可以分為動態(tài)臍帶纜和靜態(tài)臍帶纜兩種（如圖 1-3 所示），直接與上部浮體設(shè)施連接且處于懸掛狀態(tài)的稱為動態(tài)臍帶纜，鋪設(shè)在海床的稱為靜態(tài)臍帶纜。靜態(tài)臍帶纜的功能為連接水下井口，受波流載荷的作用較小，主要承受的載荷為管道內(nèi)外壓強載荷以及溫度載荷。因此，對靜態(tài)臍帶纜主要從其海底在位穩(wěn)定性的角度進行分析和評估[5]。動態(tài)臍帶纜由于直接與浮體連接，受浮體運動的作用影響較大，而且無論安裝鋪設(shè)狀態(tài)和還是在位狀態(tài)時，動態(tài)臍帶纜都受到復(fù)雜的海洋環(huán)境，而對動態(tài)臍帶纜基本性能的研究是強度設(shè)計和疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE952

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本文編號：2594381