本文關(guān)鍵詞：深水柔性立管及附件設(shè)計的關(guān)鍵力學問題研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：復合柔性立管是深水油氣開發(fā)中的關(guān)鍵設(shè)備。不僅要求較小的彎曲半徑,還要求具有較大的抗外壓、抗內(nèi)壓、抗拉伸的能力及長期可靠的疲勞壽命,因此在柔性管道的設(shè)計、分析、測試、制造、安裝等方面均存在許多極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵力學問題。當前,只有少數(shù)國外公司具備柔性管道及附件的設(shè)計與制造能力,不僅價格昂貴而且采購周期很長,嚴重制約了我國深水油氣資源開發(fā)的進程和效益。典型的深水柔性立管系統(tǒng)包括管體及防彎器等附件,每個部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計都涉及比較復雜的力學問題。特別需要指出的是,這其中關(guān)鍵是如何通過金屬鎧裝層的設(shè)計,控制深水環(huán)境下靜水外壓引起的屈曲失效與環(huán)境載荷引起的動態(tài)疲勞失效的發(fā)生。而為了對疲勞壽命進行設(shè)計,首先需要對立管在由于自重、浮體升沉運動等引起的軸向拉伸力與環(huán)境載荷、浮體運動等引起的曲率半徑作用下的復雜力學行為進行準確分析與評價。此外,對于高性能防彎器設(shè)計,不僅要滿足立管最小彎曲半徑要求,更要實現(xiàn)抗疲勞性與經(jīng)濟性指標的多目標設(shè)計要求。因此,對于先進的柔性立管及附件設(shè)計,涉及結(jié)構(gòu)力學領(lǐng)域多個前沿課題。本文依托國家“十二五”863項目“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”專題(2012AA09A212),對柔性立管及附件設(shè)計的關(guān)鍵力學問題進行了比較系統(tǒng)的研究。針對管體設(shè)計,首先建立并完善了深水柔性立管臨界壓潰力、抗拉剛度、最小彎曲半徑(MBR)與疲勞壽命等設(shè)計指標的理論分析模型,并采用數(shù)值模型與原型測試對設(shè)計指標與方法進行驗證。同時,在防彎器設(shè)計中建立了多目標形狀優(yōu)化設(shè)計模型。本文主要研究內(nèi)容、方法與結(jié)論概括如下：(1)柔性立管抗外壓設(shè)計的應(yīng)變能等效與計及加工缺陷的骨架層屈曲行為分析。為了增加徑向剛度,同時不增加彎曲剛度,深水柔性立管采用了具有互鎖截面的金屬骨架層設(shè)計。由于骨架層結(jié)構(gòu)形式復雜,使其抗外壓屈曲設(shè)計與分析面臨建模與計算上的挑戰(zhàn)。本章提出了基于應(yīng)變能等效的抗屈曲設(shè)計方法,并通過對三組不同尺寸骨架層試件的徑向剛度測試對該方法進行了驗證。建立了考慮缺陷骨架層外壓下屈曲行為的三維有限元分析模型,并對骨架層成型過程進行了三維有限元模擬,計算鋼板輥軋和扣壓互鎖過程所產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力。以某4寸海洋柔性管道骨架層為例,對其臨界壓潰力進行了設(shè)計與分析,并定量討論了初始橢圓度、材料非線性以及加工殘余應(yīng)力等缺陷對骨架層臨界壓潰力的影響。本章提出骨架層抗外壓屈曲設(shè)計方法與分析模型為深水柔性立管抗屈曲設(shè)計提供重要理論依據(jù)。(2)柔性立管抗拉剛度的設(shè)計與驗證。海洋柔性立管采用多根鋼絲螺旋纏繞圓柱結(jié)構(gòu)以增加軸向拉伸剛度,同時降低彎曲剛度。本章考慮內(nèi)核圓柱的徑向收縮效應(yīng),建立了螺旋鋼絲纏繞圓柱抗拉剛度的解析模型。同時建立了分析柔性管道軸向拉伸力學行為的三維有限元分析模型,并提出了驗證解析模型與數(shù)值模型的拉伸剛度測試方法。通過4寸內(nèi)徑柔性管道拉伸剛度實驗室原型測試,驗證了本章提出模型的正確性；以8寸內(nèi)徑深水柔性立管為例,進一步探討了不同設(shè)計參數(shù)對于管道拉伸剛度的影響。本章提出的抗拉剛度分析模型為海洋柔性管道抗拉設(shè)計提供有效的技術(shù)手段,同時為疲勞荷載分析與疲勞應(yīng)力計算提供理論支持。(3)柔性立管最小彎曲半徑的設(shè)計與驗證。為了降低彎曲剛度,柔性立管金屬鎧裝層均采用螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)形式�；谀壳耙延械穆菪摻z彎曲應(yīng)力解析模型不足,提出了基于Spring(彈簧)理論的預測模型。同時建立螺旋纏繞鎧裝鋼絲的三維高精度有限元數(shù)值模型,對特定曲率下鋼絲的局部應(yīng)力進行計算。并以此數(shù)值分析結(jié)果為依據(jù),對不同截面長寬比與螺旋纏繞角度情況下解析模型的適用性進行研究,進而驗證所提解析模型的合理性。進而對于螺旋鋼絲不同設(shè)計參數(shù)對MBR的影響進行了分析,為柔性管道MBR快速設(shè)計提供理論依據(jù)。同時本章提出的螺旋鋼絲彎曲應(yīng)力分析方法為柔性立管疲勞應(yīng)力計算提供理論支持。(4)考慮層間摩擦的柔性立管抗疲勞設(shè)計與疲勞測試驗證。金屬螺旋鎧裝層間的接觸摩擦等強非線性因素使得海洋柔性立管疲勞壽命設(shè)計與分析存在關(guān)鍵力學問題的挑戰(zhàn),也成為當前國際海洋工程界研究的熱點問題之一。本章基于安全壽命設(shè)計方法提出了海洋柔性立管疲勞壽命的預測模型與流程。建立了柔性管道非線性彎曲剛度的理論與有限元分析模型,并通過彎曲剛度測試結(jié)果對上述模型的正確性進行了驗證�；诖�,提出了基于非線性彎曲剛度的整體荷載分析模型。建立了海洋柔性立管非線性疲勞應(yīng)力的理論分析模型,包括拉伸、彎曲以及層間摩擦所引起的交變應(yīng)力組份。以1500米水深的8寸內(nèi)徑柔性立管為例,對其疲勞壽命進行計算,并對各種非線性因素與平均應(yīng)力的影響進行討論。此外,提出了基于純彎曲交變加載的柔性管道疲勞測試方法。以4寸內(nèi)徑柔性管道為例,對其進行疲勞強度測試,并通過修正材料S-N曲線實現(xiàn)定量考慮層間磨損等不確定因素對疲勞壽命的影響。本章所提疲勞測試方法對模擬實際工況疲勞試驗無法驗證疲勞壽命設(shè)計進行了有力補充。(5)柔性立管高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。柔性立管高性能防彎器設(shè)計不僅需要滿足立管最小彎曲半徑要求,還要同時具備抗疲勞性與經(jīng)濟性。本章考慮防彎器材料非線性和幾何大變形,建立了柔性立管上彎段曲率分布的解析分析模型,同時建立三維有限元數(shù)值模型對解析模型的正確性進行了驗證。以8寸柔性立管防彎器設(shè)計為例,分析了不同材料行為與形狀參數(shù)對柔性立管曲率分布的影響。以柔性立管抗疲勞性能和經(jīng)濟性為目標函數(shù),采用基于代理模型的優(yōu)化方法對防彎器結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進行了多目標優(yōu)化,討論了不同優(yōu)化算法的計算精度和效率。同時給出了實例優(yōu)化設(shè)計的帕累托前沿,指導優(yōu)化結(jié)果的工程應(yīng)用。提出了一種基于樣條曲線的新型防彎器構(gòu)型,并通過與其他傳統(tǒng)優(yōu)化構(gòu)型下的曲率結(jié)果比較驗證了其在立管曲率改進方面的優(yōu)勢,為高性能防彎器的工程設(shè)計提供新的思路。本文提出的設(shè)計方法、分析模型與所得結(jié)論為安全、高效的設(shè)計深水柔性立管與附件提供了強有力的理論支持。
【關(guān)鍵詞】：深水柔性立管 失效模式 屈曲壓潰 疲勞壽命 高性能防彎器
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O346.2
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• TABLE OF CONTENTS15-18
• 圖目錄18-22
• 表目錄22-24
• 主要符號表24-25
• 1 緒論25-71
• 1.1 研究背景與意義25-32
• 1.1.1 研究背景25-27
• 1.1.2 發(fā)展歷史與趨勢27-32
• 1.2 海洋柔性立管荷載需求32-35
• 1.2.1 環(huán)境荷載32-34
• 1.2.2 荷載工況34-35
• 1.3 海洋柔性立管設(shè)計內(nèi)容35-38
• 1.3.1 柔性立管結(jié)構(gòu)概念設(shè)計36
• 1.3.2 柔性立管結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)36-38
• 1.4 海洋柔性立管設(shè)計分析方法38-43
• 1.4.1 基于規(guī)范的設(shè)計方法38-39
• 1.4.2 基于控制主要失效模式的設(shè)計方法39-43
• 1.4.3 海洋柔性立管分析方法43
• 1.5 海洋柔性立管附件設(shè)計分析方法43-46
• 1.5.1 防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法44-45
• 1.5.2 接頭分析方法45-46
• 1.6 國內(nèi)外研究進展46-67
• 1.6.1 海洋柔性立管結(jié)構(gòu)設(shè)計分析研究進展46-64
• 1.6.2 海洋柔性立管加工制造研究進展64-65
• 1.6.3 海洋柔性立管關(guān)鍵附件設(shè)計研究進展65-67
• 1.7 本文主要研究思路67-71
• 2 海洋柔性立管抗外壓屈曲設(shè)計與分析71-98
• 2.1 海洋柔性立管抗屈曲設(shè)計方法71-85
• 2.1.1 等效圓環(huán)屈曲的解析分析模型71-74
• 2.1.2 基于應(yīng)變能的骨架層等效方法74-79
• 2.1.3 徑向剛度測試方法與等效結(jié)果驗證79-85
• 2.2 骨架層壓潰的有限元分析模型85-86
• 2.3 骨架層加工成型分析86-92
• 2.3.1 鋼板輥軋成型的有限元分析88-91
• 2.3.2 骨架層扣壓成型的有限元分析91-92
• 2.4 海洋柔性立管抗屈曲設(shè)計分析實例92-97
• 2.4.1 基于應(yīng)變能等效的骨架層臨界壓潰力設(shè)計92
• 2.4.2 不同缺陷對骨架層屈曲行為影響92-97
• 2.5 本章小結(jié)97-98
• 3 海洋柔性立管抗拉伸設(shè)計與分析98-114
• 3.1 柔性立管拉伸剛度理論分析模型98-103
• 3.2 柔性立管拉伸剛度有限元分析模型103-105
• 3.3 柔性立管拉伸剛度測試方法105-106
• 3.4 柔性立管拉伸剛度分析實例106-113
• 3.4.1 淺水柔性管道拉伸剛度分析實例106-110
• 3.4.2 深水柔性立管拉伸剛度分析實例110-113
• 3.5 本章小結(jié)113-114
• 4 海洋柔性立管最小彎曲半徑(MBR)設(shè)計與分析114-135
• 4.1 螺旋纏繞鋼絲彎曲應(yīng)力的解析分析模型114-121
• 4.1.1 常用的彎曲應(yīng)力解析分析模型116-119
• 4.1.2 基于spring 理理_論的解析模型119-121
• 4.2 螺旋纏繞鋼絲彎曲應(yīng)力的有限元分析模型121-124
• 4.3 海洋柔性立管MBR分析實例124-128
• 4.4 解析模型適用性分析128-132
• 4.4.1 抗拉鎧裝鋼絲矩形截面長寬比的影響128-130
• 4.4.2 抗拉鎧裝鋼絲螺旋纏繞角度的影響130-132
• 4.5 螺旋鋼絲設(shè)計參數(shù)對管道MBR影響分析132-133
• 4.6 本章小結(jié)133-135
• 5 海洋柔性立管抗疲勞設(shè)計與分析135-173
• 5.1 柔性立管疲勞設(shè)計考慮要素135-140
• 5.1.1 疲勞失效構(gòu)件與失效模式136-137
• 5.1.2 疲勞壽命預測模型137-140
• 5.2 柔性立管非線性彎曲剛度分析方法140-151
• 5.2.1 柔性立管彎曲剛度理論分析模型140-144
• 5.2.2 柔性立管彎曲剛度有限元分析模型144-146
• 5.2.3 柔性立管彎曲剛度分析實例146-151
• 5.3 基于非線性彎曲剛度的整體荷載分析模型151-154
• 5.4 柔性立管非線性疲勞應(yīng)力分析方法154-157
• 5.5 柔性立管疲勞壽命設(shè)計分析實例157-164
• 5.5.1 整體荷載計算157-161
• 5.5.2 疲勞應(yīng)力分析161-162
• 5.5.3 疲勞壽命計算162-164
• 5.6 基于層間磨損的海洋柔性管道疲勞試驗研究164-172
• 5.6.1 疲勞試驗方法165-169
• 5.6.2 疲勞應(yīng)力分析模型169-171
• 5.6.3 管道疲勞強度驗證171-172
• 5.7 本章小結(jié)172-173
• 6 海洋柔性立管高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計173-194
• 6.1 防彎器作用下立管曲率分布的非線性解析模型173-179
• 6.1.1 解析模型173-176
• 6.1.2 實例分析176-179
• 6.2 防彎器作用下立管曲率分布的有限元分析模型179-181
• 6.3 基于代理模型的防彎器多目標形狀優(yōu)化設(shè)計181-189
• 6.3.1 防彎器形狀設(shè)計參數(shù)181-183
• 6.3.2 防彎器形狀優(yōu)化目標函數(shù)183-184
• 6.3.3 防彎器形狀優(yōu)化設(shè)計模型184-185
• 6.3.4 基于代理模型的優(yōu)化方法185-186
• 6.3.5 防彎器實例形狀優(yōu)化結(jié)果與討論186-189
• 6.4 基于樣條曲線的新型防彎器設(shè)計189-192
• 6.4.1 基于樣條曲線的新型防彎器概念189-190
• 6.4.2 結(jié)果對比與討論190-192
• 6.5 本章小結(jié)192-194
• 7 結(jié)論與展望194-198
• 7.1 結(jié)論194-196
• 7.2 創(chuàng)新點196-197
• 7.3 展望197-198
• 參考文獻198-207
• 攻讀博士學位期間科研項目及科研成果207-211
• 致謝211-212
• 作者簡介212

  本文關(guān)鍵詞：深水柔性立管及附件設(shè)計的關(guān)鍵力學問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：327953