非粘合柔性立管结构响应数值分析研究

发布时间：2020-05-05 06:46

【摘要】：非粘合柔性立管具有弯曲刚度小、质量轻、耐腐蚀以及抗疲劳等特点,适用于深海恶劣的海况。非粘合柔性立管的设计过程因内部结构的复杂性而十分繁琐,分析柔性立管的局部结构响应是设计过程的重要环节,其中包括载荷-位移响应、层间摩擦耗能和迟滞效应等。然而由于非粘合柔性立管层间的摩擦、接触等非线性问题,使得其数值模拟分析面临众多挑战。本文的研究目的是提出一种能够准确高效地分析非粘合柔性立管在复杂载荷耦合作用下结构响应的数值分析方法。目前,非粘合柔性立管已有的数值模拟相关研究工作主要有两种方法。第一种方法,其重点在于模拟聚合物层和螺旋抗拉铠装层,模型中没有包括骨架层和抗压铠装层,此模型仅能分析在单一的拉伸或扭转载荷作用下的结构响应。由于没有模拟完整的非粘合柔性立管结构,此模型的分析结果仅能与理论分析结果进行对比,无法用实验测量结果来验证。第二种方法,采用了壳单元模拟聚合物层和梁单元来模拟抗拉铠装层钢带。此方法分析立管仅在径向载荷作用下的结构响应时有效且计算效率较高。但是,当立管在承受拉伸、扭转和弯曲组合的复杂载荷作用时,该方法所采用的梁-壳单元不能准确地模拟层间的接触摩擦作用。然而此模拟方法中采用各向异性壳单元层来简化模拟复杂的骨架层和抗拉铠装层的方法值得借鉴。针对以上问题,本文采用了体-壳单元分别单独地模拟各层并尽可能真实地考虑层问摩擦接触和几何特征。其中,结构形式较为复杂的骨架层和抗压铠装层,则采用具有等效属性的各向异性材料壳单元层来模拟,其余各层采用线性实体单元详细模拟。这种模拟方法既能考虑到复杂的骨架层和抗压铠装层的重要结构属性从而保证计算精度；又可以大幅提高模型的求解效率,从而实现了高效并准确地分析完整的非粘合柔性立管的结构响应。文中建立了一个完整的八层非粘合柔性立管模型,分析了此模型分别在拉伸、扭转以及弯曲与内外压组合的三种载荷工况下的结构响应,讨论了非粘合柔性立管特有的结构响应现象,包括拉伸或扭转载荷作用下载荷-位移曲线的非线性、拉伸和扭转的耦合效应以及弯曲载荷下的迟滞效应；并将数值分析、理论分析及实验测量得到的结果进行了对比验证。结果表明,本文所提出的数值模拟方法能够比较真实地考虑各层间摩擦接触和间隙的影响,其分析结果与理论分析结果相比更贴近实验测量结果,也更符合非粘合柔性立管特有的非线性结构响应特性；因此,本文方法可作为分析非粘合柔性立管在拉伸、扭转、弯曲载荷和内外压载荷作用下结构响应的有效工具。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P756.2

【参考文献】