扭矩和水压作用下管道屈曲及联合式止屈器性能研究

发布时间：2020-10-12 19:38

　　 本文针对深水海底管道的屈曲压溃及屈曲传播,使用静水流体单元加载与动力隐式算法,对其进行准静态加载与动态加载分析。结合全尺寸压力舱真实管道试验数据,验证了两种计算方法的正确性。建立了水压作用下管道的仿真模型,得到其在不同加载方式下的压溃压力和屈曲传播压力。发现由于卸载速率和前屈曲加载条件等因素的不同,导致了准静态与动态分析下屈曲传播压力的差异。对于真实海况下管道的屈曲特性分析,还需要通过海上试验进一步验证两种方法的适用性,因此对深水管道海上试验的流程进行了研究设计。重点研究了扭矩和水压作用下管道的屈曲压溃特性。对受到扭矩作用的管道,通过建立理论分析模型,推导得到了其弹性扭转计算方程,利用有限元算例验证了理论计算方法的正确性。使用有限元弧长法,建立了管道受扭矩和水压作用下的仿真模型。通过对管道施加不同扭矩和加载路径,计算得到了管道的两种截面变形模式和三种整体变形模式,探究了不同变形模式产生的原因。对管道在扭矩和水压作用下的压溃压力进行了敏感性分析,发现管道壁厚、初始椭圆度、外径、材料属性、不同加载路径等因素对管道压溃压力有重要影响。利用优化的神经网络预测方法,对管道压溃压力进行了拟合预测,为管道的设计研究提供了一种更加便捷的计算方法。参与设计了可以对管道施加扭矩和水压的缩比尺压力舱,研究设计不同加载路径下管道屈曲压溃的试验流程。目前对止屈器的研究仍集中在单独的止屈器上。本文利用数值模拟建立并优化了扣入式和缠绕式止屈器模型,通过试验结果验证了其正确性,在此基础上提出了并行排布式及叠加式两种联合式止屈器模型。对两种新提出的联合式止屈器进行了敏感性分析,研究了止屈器长度、匝数、壁厚、间距、缠绕方式等因素对其穿越压力的影响,得到了两种不同的穿越模式。通过对比各类止屈器的穿越压力,对联合式止屈器的止屈性能进行了研究,探讨了其优势和实用性,对海洋石油开发具有一定的应用价值。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P756.2
【部分图文】：

结构屈曲有两种类型，分别是分叉型屈曲和极值型屈曲，如图2-1 所示。分叉型屈曲与极值型屈曲的区别在于，结构在载荷加载过程中存在两种平衡路径。如果载荷增长至临界值crP 时，结构受到一定程度的扰动，那么屈曲过程将沿着分叉路径进行。通常对于没有几何缺陷的结构，当其受到理想载荷的条件下，更容易发生分叉型屈曲。但考虑到在实际工程中，管道的几何结构常常由于加工、运输等原因产生损伤与破坏，深水海底环境载荷多变且复杂，故无论结构的几何形式还是结构所受的加载条件，都无法实现理想化。管道在受到外部载荷作用后，通常会提前发生屈曲失稳，即产生极值型屈曲。7

图 3-1 静水流体单元1 所示的结构中，静水流体单元对结构中的流体进行了内部流体进行替代，流体压力的变化即为载荷大小的变流体体积的变化，进而对流体的压力大小造成影响。这种耦合关系，可通过静水流体单元进行仿真表示。体单元 F3D4 能够表示两种流体，一种是气动流体，即压是液压流体，通常代表难以压缩或是不能压缩的流体于液压流体的加载过程，这种流体的压缩能力能够通过体001 1p K ρ( )ρ ρ= 中，p 为流体压力。结构在准静态加载过程中受到的外故 p = γ，γ 为管道外压荷载。K 表示流体的体积弹性模度。在第n和第 n +1载荷步运算过程中，流体密度ρ 满足

CVOL 的监控和输出。3.1.2 建立管道流体加载模型准静态分析下管道的数值模拟采用流体加载方式，有限元模型如图3-2所示。为了让计算更加便利，节省更多的时间，采用整体的 1/4 模型。1/4 模型既可以保证模型在考虑对称性设置的情况下保持计算的准确性，又可以降低计算的代价，提高计算的效率。整个模型分为舱体和管道两个部分，其中管道部分有两段，分别是前部的缺陷段，缺陷段采用 ABAQUS 中的放样命令建模实现，可通过设置初始局部椭圆度来控制缺陷段的缺陷大小。缺陷段的作用是触发结构失稳，即触发管道结构的屈曲失效。管道第二段是完好管道段，该段主要作用是记录管道的屈曲传播
【相似文献】

相关期刊论文 前8条

1 余建星;安思宇;段晶辉;蒋梅荣;韩梦雪;;扣入式与缠绕式止屈器联合作用的止屈效率[J];中国海洋平台;2018年04期

2 吴梦宁;余建星;孙震洲;段晶辉;;双整体式止屈器结构性能研究及优化设计[J];海洋工程;2017年02期

3 孟庆龙;余建星;孙震洲;刘春辉;叶彬彬;张欣;郝双户;;扣入式止屈器止屈机理研究[J];天津理工大学学报;2014年06期

4 李旭;李庆;张英;;深水海管止屈器设计方法研究[J];海洋工程装备与技术;2014年03期

5 余建星;段晶辉;孙震洲;余杨;;海底管道整体式止屈器模型试验与数值模拟[J];中国造船;2017年03期

6 黄玉盈,邹时智,刘志宏,钱勤;非线性地基上弹性梁屈曲传播抑制的动力有限元分析[J];固体力学学报;1997年02期

7 刘洋;桂洪斌;许志勇;;带止屈器的复合材料圆柱壳结构屈曲分析及优化[J];船舶工程;2017年11期

8 余建星;卞雪航;李智博;杨源;孙震洲;;国外海底管道屈曲传播及止屈试验技术综述[J];船舶工程;2012年04期

相关博士学位论文 前1条

1 孙震洲;深海油气管道屈曲失稳机理研究[D];天津大学;2017年

相关硕士学位论文 前4条

1 安思宇;扭矩和水压作用下管道屈曲及联合式止屈器性能研究[D];天津大学;2018年

2 孙斌;深海双层管的屈曲传播及止屈控制[D];浙江大学;2013年

3 梁振庭;深水海底管道铺设受力性能分析[D];浙江大学;2008年

4 陈传杰;复合材料海洋立管屈曲和止屈研究[D];哈尔滨工业大学;2017年

本文编号：2838186