理想状态海底管线屈曲剧变特性研究

论文摘要

海底管线的屈曲剧变是管线失效的表现形式之一,所谓管线的屈曲是指管线在内外温差和压差较大时,由于受到地基土的约束作用,无法自由变形,在管线的内部产生附加应力,使管线发生竖向或水平向的弯曲。较大的屈曲变形一方面可能导致管线中的弯曲应力增大,接近或达到钢材的屈服强度,对管线的安全运营造成威胁;另一方面发生变形的管线容易受到渔业活动和船只航行的影响,增加安全隐患;此外,屈曲变形可能导致管线配重层、保温层结构遭到破坏甚至进水,影响管线的正常使用。因此温度应力下管线屈曲变形问题的研究有着重要的现实意义。本文在大量收集和阅读国内外文献资料,充分了解国内外海底管线的应用情况、海底管线的常见问题以及研究现状的基础上,重点对国内外有关海底管线屈曲剧变问题的研究方法和主要研究成果进行了系统的整理和分析。管线的屈曲模式可类比于细长压杆的稳定问题和火车轨道在温度应力下的屈曲问题。本文基于压杆稳定的基本理论对理想管线竖向屈曲剧变的解析解进行了推导,并结合实际工程分析了温差、管土相互作用、管线埋深等因素对理想管线竖向屈曲变形的影响。应用ANSYS弹塑性有限元分析软件对理想管线在温度应力作用下的屈曲剧变现象进行了模拟分析。分析结果表明,管线的安全温度随着地基土摩阻力的增大以及管线上覆土层厚度的增长而增大。当管线有足够的埋深时,将有效的抑制竖向屈曲剧变的发生。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 海底管线的应用及发展
• 1.1 国内外海底管线的应用情况
• 1.1.1 国外海底管线的发展
• 1.1.2 国内海底管线的发展
• 1.2 海底管线的常见问题
• 1.3 海底管线的屈曲剧变问题
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 海底管线的屈曲剧变研究
• 2.1 海底管线屈曲剧变现象的产生及分类
• 2.1.1 海底管线的分类
• 2.1.2 海底管线屈曲剧变问题的研究现状
• 2.1.3 海底管线屈曲剧变的形态
• 2.2 海底管线屈曲剧变分析的理论基础
• 2.2.1 压杆稳定原理
• 2.2.2 铁轨问题
• 2.3 海底管线屈曲剧变的试验和理论研究
• 2.3.1 Ju 和Kyriakides（1988）
• 2.3.2 Pedersen等（1988）
• 2.3.3 Maltby和 Calladine（1995）
• 2.3.4 Taylor和Tran（1996）
• 2.3.5 James 和 Croll（1997）
• 2.3.6 Kyriakides（2002）
• 2.3.7 Einsfeld和Murray（2003）
• 2.3.8 Villarraga等（2004）
• 2.3.9 Newson 和 Deljoui
• 2.3.10 Pedersen
• 第三章 理想管线屈曲剧变问题的解析解
• 3.1 理想管线竖向屈曲的分析方法
• 3.2 工程实例分析
• 3.2.1 工程概况
• 3.2.2 分析过程与结果
• 3.2.3 强度校核
• 3.3 理想管线竖向屈曲剧变的影响因素分析
• 3.3.1 温度的影响
• 3.3.2 地基土摩阻力的影响
• 3.3.3 上覆土层厚度的影响
• 第四章 理想管线屈曲剧变的有限元分析
• 4.1 有限元模拟方法
• 4.1.1 有限元方法简介
• 4.1.2 ANSYS分析的三个主要步骤
• 4.1.3 有限元非线性分析的弹塑性理论基础
• 4.1.4 壳单元SHELL91 简介
• 4.2 算例分析
• 4.2.1 ANSYS的主要分析结果
• 4.2.2 有限元法与解析法结果对比
• 第五章 结论及建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢