深水铺设环境下托管架结构动力学问题研究

发布时间：2017-10-21 04:35

  本文关键词：深水铺设环境下托管架结构动力学问题研究

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【摘要】：随着陆上资源的枯竭,海洋石油开采逐渐成为国际上研究的热点。近10年来,全球新发现的油气田60%在海上,并且正在开采的油气田50%也在海上,由此可见海洋资源的丰富,并且这些资源大多都在深海。深海油气开采的难度非常大,属于高投资、高技术、高风险的开发模式,其中海底管道铺设技术就是深海油气开采的一个急需突破的重要环节。海底管道铺设的核心装备是托管架,只有将托管架的能力提升上去,才能从突破深海管道铺设的瓶颈。我国在2012年建造了具有自主知识产权的海洋石油201铺管船,使我国的深海管道铺设技术得到了很大的提升,但是随着铺设水深的增加,该装备也暴露出了一些技术上的不足。本文的目的是针对用于超深水大口径管道铺设的托管架在使用过程中出现的问题,提出了设计上的不足。首先对船体的运动进行了总结,阐述了船体运动在时域和频域上的计算方法,并介绍了船体运动的计算软件-aqwa和试验方法；对本文应用的船体数据进行了介绍,并通过谱估计函数对船体运动的功率谱密度进行了计算,得到了船体的运动规律。其次对托管架在不同工况下的动力特性进行了分析,通过分析发现托管架在使用过程中,由于管道对托管架刚度矩阵和质量矩阵的影响,会影响托管架的自振频率,在浅水时这一影响不是很大,但是随着铺设水深和铺设管径的增加,这一影响对托管架的自振频率改变比较大,甚至已经接近船体运动的频率带。由此提出了在超深水、大口径管道铺设环境下的托管架在设计中存在的问题。然后对虚拟激励法的计算原理进行了介绍,并对船体-托管架建立了虚拟的动力学方程,根据虚拟激励的特点,将虚拟激励变为谐响应分析,并利用有限元软件对其进行了实现。最后,托管架-铺管船-管道三者是相互耦合的关系,本文将三者进行解耦,用质量点代替管道模拟管道对托管架的惯性作用,将由水池试验的得到的船体运动数据作为托管架的边界条件,模拟船体运动对托管架的影响。在通用有限元软件上实现了虚拟激励法,并用该方法求得了托管架热点位置的自功率谱密度函数,运用Dirlik方法计算了托管架热点应力的概率密度函数,进而对托管架的疲劳寿命进行了评估。文章最后给出了本文的结论以及在设计时需要主要的问题,对用于超深水大口径管道铺设的托管架设计具有一定的指导意义。
【关键词】：深水环境 托管架 虚拟激励法 随机振动 管道铺设
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE95
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 课题研究的背景9-13
• 1.2 海底管道铺设13-17
• 1.2.1 海底管道发展趋势13-14
• 1.2.2 S-lay铺设技术14-17
• 1.3 超深水托管架面临的挑战17-19
• 1.4 本文研究的主要内容19-20
• 2 船体运动20-30
• 2.1 船体运动分析的一般理论20-23
• 2.1.1 船体运动分析的时域方法20-22
• 2.1.2 船体运动分析的频域方法22-23
• 2.2 船体运动的数值模拟23-24
• 2.3 船体运动的试验24-29
• 2.3.1 水池试验24-26
• 2.3.2 船体运动数据及分析26-29
• 2.4 本章小结29-30
• 3 不同工况下托管架动力特性分析30-36
• 3.1 托管架有限元模型30-31
• 3.2 拖航托管架动力特性31-33
• 3.3 铺设托管架的动力特性分析33-35
• 3.4 本章小结35-36
• 4 船体运动载荷随机振动理论与运动学方程建立36-46
• 4.1 随机振动虚拟激励法的基本理论36-38
• 4.1.1 频率响应函数36-37
• 4.1.2 虚拟激励法的基本原理37-38
• 4.1.3 自功率谱密度函数的性质38
• 4.2 船体在平动、转动作用下深水托管架运动方程38-43
• 4.2.1 方程建立的基本假定38-41
• 4.2.2 船体平动作用情形41-42
• 4.2.3 船体转动作用情形42-43
• 4.2.4 船体运动激励下托管架运动方程建立43
• 4.3 虚拟激励法在ANSYS中的实现方法43-44
• 4.4 算例验证44-45
• 4.5 本章小结45-46
• 5 铺设条件下深水托管架的疲劳寿命评估46-59
• 5.1 托管架寿命评估点确定46-50
• 5.1.1 静态热点位置确定46-48
• 5.1.2 动态热点位置确定48-50
• 5.2 频域疲劳分析理论50-52
• 5.2.1 随机疲劳线性损伤理论50-51
• 5.2.2 Dirlik概率密度函数经验公式51-52
• 5.3 托管架寿命评估52-58
• 5.3.1 托管架应力功率谱密度52-56
• 5.3.2 托管架疲劳寿命评估56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 结论59-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况63-64
• 致谢64-65

【共引文献】

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本文编号：1071330