钢悬链线立管拖地段与土体相互作用的数值模拟

论文摘要

随着全球油气需求量的增加,一种新型的立管结构形式—钢悬链线立管(SCR)正被广泛用于各种深水开发项目中。目前国内对浅海立管的应用研究已非常成熟,但对深海立管的研究还处于起步阶段,而国外深海油气开发广泛使用的输送管道是具有弯曲刚度和扭转刚度的悬链线式立管。这种结构的立管不同于顶张力立管,具有十分显著的几何非线性,属于大变形问题。SCR所处的海洋环境比较复杂,而海床土体刚度对SCR的疲劳寿命又有重要影响。研究发现深海的土体大多是软粘土,具有很强的非线性特性,尤其在较大的循环荷载下,其塑性性能和滞回特性十分显著。另外,在浮体慢漂运动的影响下以及极端状况作用下,SCR的拖地段将作拔出海底的上升运动,此时土体产生阻碍管道上升运动的粘滞力,严重影响管道的极限应力。因此对触地点区域管—土相互作用的研究对SCR的应用有非常重要的意义。本文以钢悬链线立管为研究对象,应用有限元软件ANSYS进行管—土相互作用数值模拟。由于SCR悬垂段的结构特点,在ANSYS中根据悬链线方程建立悬垂段模型；SCR拖地段平铺在海床面上,材料为线弹性体。通过分析国外管道与海床土体垂向相互作用试验中所得的土体模型,运用等效土体刚度的弹簧模型,近似模拟海床土体的骨架曲线和重新加载曲线(有土体吸力和无土体吸力)。最后根据不同的等效土体刚度的弹簧模型建立管土相互作用模型,分别研究上部浮体的慢漂运动和升沉运动对管—土相互作用的影响,尤其是对触地区域管道的入土深度和弯矩等的影响。结果表明,初次渗透海床土体,在慢漂作用下,管道的变形较大,而且触地点位置和最大入土深度位置也有较大改变；而升沉运动中触地点位置变化不大。管道重新加载土体,包含土吸力的刚度模型,其触地点位置和最大入土深度的变化比不包含土吸力的小；但是土吸力对顶端反力和弯矩变化的影响均不明显。三种等效土体刚度弹簧模型中,在升沉运动或慢漂运动作用下,触地区域弯矩均出现极值。模态分析表明,不同顶端约束方式对模态频率影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 钢悬链线立管的国内外研究现状
• 1.2.2 海床土体的国内外研究现状
• 1.2.3 钢悬链线立管与海床土体的相互作用
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 SCR的结构特点及模型的建立
• 2.1 SCR的结构特点
• 2.1.1 SCR悬垂段的特点
• 2.1.2 SCR拖地段的特点
• 2.2 ANSYS中管道模型的建立
• 2.2.1 模型单元的选择
• 2.2.2 整体模型的建立
• 3 海床土体模型
• 3.1 立管与土体的相互作用
• 3.2 海床土体的P-y曲线模型
• 3.2.1 骨架曲线
• 3.2.2 卸载-重新加载边界曲线
• 3.2.3 土体吸力模型
• 3.3 海床土体的等效刚度
• 3.3.1 静态土体刚度
• 3.3.2 不包含土体吸力的土体等效刚度
• 3.3.3 包含土体吸力的土体等效刚度
• 3.4 ANSYS中土体等效刚度弹簧模型的建立
• 4 管—土相互作用的模拟分析
• 4.1 ANSYS中SCR与土体相互作用模型的建立
• 4.2 有限元计算与结果分析
• 4.2.1 静力分析
• 4.2.1.1 初次渗透海床土体
• 4.2.1.2 重新渗透海床土体
• 4.2.2 模态分析
• 5 结论
• 5.1 本文结论
• 5.2 存在的问题及进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及攻读硕士期间的学术成果