深水铺管船管道力学特性研究

论文摘要

铺管船法铺设海洋管道时,管道一端置于海底,另一端依托于铺管船上,中间是一段较长的悬跨段,为保证悬跨段管道不发生屈服,必须根据铺设时的海洋环境数据及时的对海洋管道的受力状况进行分析和调查,以确定合理的铺管船作业参数。铺设中的悬跨段管道具有几何非线性性质,其悬跨段长度及着地点的受力未知,使得问题的求解难度增加。经过三十多年的研究,虽然分析方法多种多样,但仍没有很好地解决速度、精度和通用性三者之间的关系。目前我国还没有开发出适用于工程实际的管道分析软件,尤其是深海管道铺设及相关技术的研究,在国内至今仍然很少。以往的研究往往侧重于某一特定的铺管方式。研究的重点在管道微分方程的建立以及求解方法的比较。本文比较了几种深水铺设时海洋管道弹性变形的解析方法。用非线性弹性大挠度梁理论建立管道模型,并用非线性有限元法求解,这种方法既充分考虑了管道的弹性、非线性和几何大变形问题,又能够方便地运用计算机语言进行数值计算。使用本文方法可处理复杂受力和边界条件,很好地解决了海洋管道分析中速度、精度和通用性三者之间的关系。为了解决理论分析与工程应用之间存在的问题,本文在借鉴前人研究铺管船铺管作业时静动力分析成果的基础上,对深水铺管船作业时数学模型的建立及其求解方法进行了探讨,在此基础上采用数值计算软件ANSYS,建立了几种管道铺设作业时的有限元分析模型,并进行数值求解。针对施工状况,研究托管架的形状、入水角大小、铺设方式、海流、浮筒辅助作业等因素的变化,对管道的变形和应力的影响。并在此基础上计算管道受力对船舶浮态的影响。得出结论以供铺管船设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概述
• 1.3 管道计算方式比较
• 1.4 本文的研究方法及内容
• 2 大挠度梁模型和非线性有限元法
• 2.1 非线性弹性大挠度梁模型
• 2.1.1 固定坐标与局部坐标
• 2.1.2 大变形梁的运动微分方程
• 2.2 非线性有限性元法
• 2.2.1 非线性有限元的发展
• 2.2.2 非线性有限元方程
• 2.3 非线性问题的数值方法
• 2.3.1 非线性问题的分类
• 2.3.2 几何非线性问题的数值方法
• 2.4 数值仿真与ANSYS软件
• 2.4.1 有限元数值仿真的发展
• 2.4.2 ANSYS软件功能简介
• 2.4.3 ANSYS软件的计算原理
• 3 海洋管道铺设方式和计算方法
• 3.1 铺管方式分类
• 3.1.1 S型铺管船法（S-LAY）
• 3.1.2 J型铺管船法（J-LAY）
• 3.1.3 卷管式铺管法（REEL-LAY）
• 3.1.4 拖曳式铺管法（TOW-METHOD）
• 3.1.5 托架船辅助法
• 3.1.6 铺管方式小结
• 3.2 铺设过程中的管道受力分析
• 3.2.1 海底管道的计算特点
• 3.2.2 海底管道的数学模型及其求解
• 3.2.3 管道刚度矩阵
• 3.2.4 边界条件及管道着地点受力分析
• 4 海洋管道铺设过程中的若干问题
• 4.1 静水铺设时的状况
• 4.2 考虑海流的铺设
• 4.2.1 侧向海流对管道铺设的影响
• 4.2.2 逆向海流对管道铺设的影响
• 4.2.3 顺向海流对管道铺设的影响
• 4.3 有浮筒辅助铺设时的状态
• 4.4 管道铺设对船舶浮态的影响
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢