深水柔性立管非线性静动力分析

论文摘要

传统柔性立管和钢悬链线立管（SCR）都属于海洋工程中的细长柔性杆件,它们有相同的动力响应特性:即二者都以其大位移及大角度的运动来抵抗浮式平台的运动和水动力荷载,也就是说几何非线性是其结构分析的一个突出特点和求解难题。正是从结构力学特性的角度,本文将传统的柔性立管和钢悬链线立管统一归结为柔性立管,并且主要关注其几何非线性特性。在常用的求解大变形问题的三种方法中——集中质量法、有限差分法和有限元法,本文选取了一种特别的基于绝对坐标系的细长柔性杆有限元模型来分析柔性立管,该模型通用性强,可模拟海洋工程中的各种柔性杆件结构,如立管、锚线等。该模型的最大优点是其控制方程直接在全局坐标系下推导得到,而且包括了全部几何非线性,因而省却了在不同坐标系间进行坐标变换的繁琐。借鉴文献,本文并推导得到了考虑内流作用的细长柔性杆模型,然后对控制方程应用有限元法在空间域内进行离散。这样,柔性立管的静力分析问题可由非线性方程的经典解法—牛顿-拉弗森法（Newton-Raphson）迭代求解,针对其动力问题本文采用了Adams-Moulton和Newmark-β两种积分方法求解。在海床模拟方面,本文模型考虑了由海床提供的弹性阻尼力和摩擦力,其中海床提供的竖向支持力以二次弹簧来模拟。作者基于上述理论编制了柔性立管计算分析程序,并对程序有效性进行了理论验证。随后对几个柔性立管——柔性软管、钢悬链线立管、懒惰型及陡峭型波浪立管的算例分析表明,该程序可以胜任一些典型柔性立管的分析工作,为进一步精细研究柔性立管在海洋运行环境中各荷载作用下的结构力学特性和响应行为提供了源代码基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 关于传统柔性立管
• 1.2.2 关于钢悬链线立管
• 1.2.3 结构模型分类
• 1.3 本文的主要工作
• 2 柔性立管运行环境及荷载
• 2.1 有效重力与有效张力
• 2.2 波浪
• 2.2.1 线性波理论
• 2.2.2 莫里森方程
• 2.2.3 作用在倾斜柱体上的波浪力
• 2.3 海（潮）流
• 2.3.1 流载荷
• 2.3.2 流对波浪力的影响
• 2.4 浮体运动
• 3 细长柔性杆模型
• 3.1 柔性杆理论
• 3.2 有限元离散
• 3.3 柔性立管的静力分析
• 3.4 柔性立管的动力分析
• 3.4.1 Adams-Moulton 积分格式
• 3.4.2 Newmark-β积分格式
• 3.5 内流作用
• 3.6 海床模拟
• 3.6.1 弹性阻尼力
• 3.6.2 摩擦力
• 4 典型柔性立管分析结果
• 4.1 悬链线理论
• 4.1.1 初值问题
• 4.1.2 边值问题
• 4.2 程序验证
• 4.2.1 大挠度悬臂梁
• 4.2.2 大振幅运动摆
• 4.3 柔性软管（Flexible jumper）
• 4.3.1 静力分析
• 4.3.2 模态分析
• 4.3.3 动力分析
• 4.3.4 内流和管内压强的影响
• 4.4 钢悬链线立管（SCR）
• 4.4.1 海流作用
• 4.4.2 近端、远端漂移
• 4.4.3 海床摩擦力
• 4.5 懒惰型波浪立管（Lazy wave riser）
• 4.6 陡峭型波浪立管（Steep wave riser）
• 5 结论与展望
• 5.1 本文结论
• 5.2 有关进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及攻读硕士期间的学术成果