非粘合柔性立管力学性能研究

论文摘要

随着人类对能源需求的日益增加,深水油气的开采是海洋工程领域发展的必然趋势。非粘合柔性立管在深海油气开发中已经得到越来越多的应用,它自身的结构特点使其在具有高拉伸刚度的同时具有较大的柔性,避免了在深海环境中由于涡激振动产生的疲劳损伤,同时能够有效地降低应力水平。在非粘合柔性立管的有限元分析中,一般采用体单元建立数值分析模型,此类方法具有较高的计算精度,能够真实的模拟非粘合柔性立管的力学行为,但是计算规模大,耗费时间长。本文在现有研究工作的基础上,采用梁-壳单元组合模型,通过对非粘合柔性立管中关键设计参数（抗拉铠装层截面抗拉刚度和钢带的螺旋角）的研究,确定了合理的非粘合柔性立管设置方案；在此基础上,通过OrcaFlex评估了百年一遇风暴条件下非粘合柔性立管的强度性能,其目的是校核由局部分析设定的非粘合柔性立管方案是否满足规范要求。在局部模型的分析中,本文提出了使用梁-壳单元组合模型模拟非粘合柔性立管的计算方法,并探讨了非粘合柔性立管在张紧力、弯矩以及扭矩的联合作用下,非粘合柔性立管中抗拉铠装层螺旋钢带的截面抗拉刚度、螺旋角度以及内压等因素对其的力学性能的影响,并得到如下结论：1)螺旋钢带的截面抗拉刚度对于非粘合柔性立管的轴向抗拉能力、抗弯能力以及抗扭能力都有影响。其中对于轴向抗拉能力的影响最大,而对抗弯能力和抗扭能力的影响次之。螺旋钢带的截面抗拉刚度越大,则立管承受轴向张力,弯矩以及扭矩的能力也就越强。但是随着截面拉伸刚度的增加,其对立管各项承载能力的影响会逐渐减弱。2)抗拉铠装层的螺旋角与立管轴向刚度和扭转刚度之间有正相关关系,与抗弯曲刚度成负相关关系。在实际工程中应同步考虑非粘合柔性立管的轴向刚度和抗弯刚度的设计要求,进行最优化设计。3)在上述两条结论前提下,经研究发现柔性管承受的内压对其抗拉,抗弯,抗扭能力均有贡献,但是影响效果不明显。整体性能分析中,借助于OrcaFlex软件,针对深水环境,在考虑上部浮体运动的情况下,对非粘合柔性立管的整体力学行为进行了分析。通过分析发现,非粘合柔性立管在近地端所承受的弯矩最大,迟滞效应也最为显著；而且滑移迟滞现象也可以显著降低非粘合柔性立管的应力水平,提高立管承载能力。在柔性立管的使用过程中,应对触地管段给予额外加强和防护；柔性立管的层间相对滑移特性,使其性能优于其他类型的立管,能够更好地适应严酷的深海环境。本文通过对非粘合柔性立管进行有限元分析,研究了对立管的力学特性影响较大的参数,并分析了这些参数对立管局部与整体力学行为的影响,为非粘合柔性立管的设计与研究提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 非粘合柔性立管的发展及分类
• 1.3 常见非粘合柔性立管的结构及研究历史
• 1.4 本论文的相关工作
• 2 非粘合柔性立管数值模拟相关理论
• 2.1 柔性管大变形条件下波浪力的计算
• 2.2 非粘合柔性立管的滑移迟滞效应
• 2.3 拉力铠装层的临界曲率计算
• 3 非粘合柔性立管局部力学性能研究
• 3.1 非粘合柔性立管局部仿真数值模拟
• 3.2 非粘合柔性立管局部力学行为分析
• 3.2.1 立管在轴向拉伸载荷作用下的力学行为分析
• 3.2.2 立管在弯矩作用下的力学行为分析
• 3.2.3 立管在扭矩作用下的力学行为分析
• 4 非粘合柔性立管整体力学性能研究
• 4.1 波浪环境载荷下非粘合柔性立管数值模拟
• 4.1.1 环境参数的确定
• 4.1.2 上部浮体运动特性计算
• 4.1.3 立管的迟滞刚度计算及整体有限元模拟
• 4.2 波流载荷下非粘合柔性立管整体力学行为分析
• 4.2.1 考虑迟滞效应的非粘合柔性立管整体力学行为分析
• 4.2.2 无迟滞效应的非粘合柔性立管整体力学行为分析
• 结论
• 参考文献
• 附录A ABAQUS有限元分析结果数据
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢