深海非粘结柔性立管简化模型数值分析及实验研究

非粘结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。然而由于非粘结柔性立管层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使得其数值模拟分析面临众多挑战,很难同时保证分析模型的精度和效率。提出一个新的非粘结柔性立管简化模型,在考虑摩擦和接触等非线性特性,以及骨架层和抗压层的沿轴向的弹性模量的条件下,运用梁单元和壳单元简化了建模。实验研究的拉伸、扭转、弯曲刚度结果与新建简化模型计算结果的对比分析,验证了所建简化模型的可靠性。研究表明,新的简化模型不仅能节省计算时间,而且更加接近柔性立管的实际本构关系和实验结果。     

钢悬链线立管整体干涉分析研究

深水海洋立管具有柔性,特别是极端海况条件下,相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力,从而影响其疲劳寿命.钢悬链线立管相比顶张力立管,有效张力较小,对环境载荷作用更加敏感,更容易发生碰撞.基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型,从允许碰撞的角度出发,对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析,研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响,阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律,为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考.     

压力载荷下非粘结柔性立管应变影响因素分析

基于Abaqus/Explicit准静态和质量放大方法研究了一类典型非粘结柔性立管在压力载荷作用下应变响应特性,对影响立管整体轴向延伸率和绕轴向扭转角度的因素进行了分析。数值模型计入金属层实际截面形状、铺设角度以及几何、接触、材料非线性。计算结果表明：数值解与理论值吻合较好;立管端部边界条件对轴向延伸率影响不大但对绕轴向扭转角度影响较大;抗压铠装层为径向压力主要受力构件,其铺设角度虽然对压溃性能不大,但在应变分析中不可忽略;拉伸铠装层铺设角度对应变影响同样较大。文中数值方法可弥补理论方法限定在小位移、小变形范围,无法计入层间摩擦、材料非线性及初始制造椭圆率等缺陷。     

压力载荷下非粘结柔性立管应变影响因素分析（英文）

基于Abaqus/Explicit准静态和质量放大方法研究了一类典型非粘结柔性立管在压力载荷作用下应变响应特性,对影响立管整体轴向延伸率和绕轴向扭转角度的因素进行了分析。数值模型计入金属层实际截面形状、铺设角度以及几何、接触、材料非线性。计算结果表明:数值解与理论值吻合较好;立管端部边界条件对轴向延伸率影响不大但对绕轴向扭转角度影响较大;抗压铠装层为径向压力主要受力构件,其铺设角度虽然对压溃性能不大,但在应变分析中不可忽略;拉伸铠装层铺设角度对应变影响同样较大。文中数值方法可弥补理论方法限定在小位移、小变形范围,无法计入层间摩擦、材料非线性及初始制造椭圆率等缺陷。     

柔性立管涡激振动响应轨迹特性研究

为了深入研究细长柔性立管的涡激振动响应特性,进行了柔性立管的拖曳水池试验。由拖车拖动立管产生相对来流,根据应变测试得到的应变数据,基于模态叠加法得到位移响应。试验分析前,通过数值方法先针对刚性立管的涡激振动响应轨迹特性进行了分析。紧接着,通过试验方法对柔性立管的单模态以及多模态涡激振动响应轨迹特性进行了深入的分析和讨论。通过分析发现:柔性立管在低速下具有与刚性立管类似的轨迹响应特性,均呈现经典的8字形状;柔性立管在高速下,其轨迹开始变得混乱,这主要是由位移的多模态响应特性所产生。     

台风条件下TLP串行立管系统碰撞分析

TLP立管系统以丛式方阵排列,台风条件下立管在波浪、海流及平台的联合作用下可能发生碰撞,有必要深入研究TLP串行立管系统的碰撞情况。文章基于DNV-RP-F203规范和Huse半经验尾流模型,提出台风条件下串行立管下游立管来流速度计算方法和立管系统碰撞分析方法,建立串行立管—井口—导管系统耦合有限元模型,研究台风条件下串行生产立管系统碰撞时的力学特性,在整体碰撞分析的基础上进行立管局部碰撞精细化分析,对比分析立管局部碰撞理论解和仿真解的不同。结果表明:下游立管来流速度的计算至少采用文中建立的方法迭代3次。串行立管发生碰撞时的最大应力发生在泥面导管处,碰撞位置应力发生了突变;立管发生碰撞的位置在水深100-120 m范围内。立管局部碰撞分析的理论解和仿真解基本吻合。     

浮筒单点系统缓波式柔性立管疲劳分析

将非黏结性柔性立管应用到浮筒式单点系统中去,借助ORCAFLEX软件建立浮筒式单点系统的耦合分析模型。利用ABAQUS软件研究柔性立管各层在张力和弯矩作用下的应力分配,得到内抗拉层和外抗拉层的应力系数,进而对立管进行浪致疲劳和涡激疲劳分析。结果表明:该系统中柔性立管的疲劳寿命主要取决于内层抗拉层,最大疲劳损伤出现在限弯接头与立管连接点附近,张力影响因素对该点的疲劳损伤影响大于曲率影响因素。     

双层立管在船舶撞击作用下结构行为分析

以船舶与立管碰撞为研究对象,采用三维有限元模拟碰撞过程,显式动力求解分析双层立管在侧向碰撞作用下的结构行为,得到碰撞过程中撞击力、结构响应、损伤变形等一般性规律,计算分析了边界约束条件、撞击质量、撞击速度、立管内压以及轴向预拉力参数的影响.结果表明,边界条件对于结构的固有频率、撞击力、结构损伤变形影响较大;撞击质量及速度是决定撞击力及变形的最主要的因素;内压的存在使得最大撞击力变小以及立管局部变形变小;在一定范围内的轴拉力越大,碰撞引起最大撞击力越大,整体变形反而变小.     

非粘结柔性立管静态分析

海洋柔性立管因材料和结构上的复杂性在设计分析中存在许多技术难题。本文在变形能原理和能量守恒的基础上,推导出了柔性立管各层的刚度矩阵。将各层刚度矩阵进行叠加,得到柔性立管总体刚度矩阵,并用总体刚度矩阵求解静载荷作用下立管变形响应。同时基于ABAQUS软件建立八层非粘结柔性立管有限元模型,并将有限元计算结果和刚度矩阵计算结果进行比较。结果分析表明：运用推导得到的刚度矩阵求解静态载荷下立管的变形是一种简便且准确的方法。     

循环荷载下滨海软粘土累积塑性应变试验研究

近海工程在波浪等循环荷载的作用下,地基中的软粘土会产生较大的沉降和变形,影响上部结构的稳定性。本文以烟台港的淤泥质粘土为研究对象,进行动三轴试验,以围压、静偏应力、动应力、荷载循环次数等为变量,探讨了不同工况下淤泥质粘土的累积塑性应变发展规律。试验结果表明,累积塑性应变随着荷载循环次数的增加,先迅速增大,而后增速减缓,最终应变值趋于稳定;累积塑性应变受不同围压值的影响不明显,但是静偏应力比、动应力比越大,其初始增速越快,最终达到的稳定值越大。通过试验结果分析,综合考虑围压、静偏应力、动应力、荷载循环次数等影响因素,提出能够合理描述累积塑性应变发展规律的双曲模型,并应用于烟台港实际工况,计算结果符合工程实际。     

海底双层保温管的悬空数值模拟

以埕岛油田CB11D-CB11E海底双层保温输油管为例,考虑波浪和海流以及内压和热膨胀的影响,采用有限元软件建立立管附近海底双层管及等效单层管的悬空力学模型。静力分析表明,不考虑内压和热膨胀影响时,可以用等效单层管近似代替双层管;考虑内压和热膨胀的影响时,用等效单层管代替双层管导致计算结果偏差较大。此外,弯头处的应力最大,悬空中点处以及悬空段与埋设段的交接处也容易屈服甚至断裂。     

钢悬链式立管涡激振动疲劳损伤参数分析

针对钢悬链式立管的结构特性,采用了简化后的振动模型。先对立管进行了模态分析;再根据立管的模态特性结合环境水流参数,采用模态叠加法对立管进行了涡激振动疲劳损伤分析。分析过程中,通过改变流速大小、立管壁厚、立管外径、内部介质以及抑制立管涡激振动的螺旋列板长度等参数,对立管的涡激振动疲劳损伤进行了相应的参数分析。结果表明:立管疲劳损伤随水流速度的增大、立管外径的增大以及内部介质密度的降低呈现上升趋势,但是壁厚变化对立管疲劳损伤大小影响却不显著。     

无粘结柔性管抗拉伸层结构分析

柔性管抗拉伸层是复杂的空间螺旋线结构,其结构响应分析对柔性管疲劳分析、强度分析和屈曲分析有重要作用。文章基于曲梁理论,应用斜驶螺旋线假设和测地线假设两种空间曲线公式,以空间细长杆理论及胡克定律本构方程为基础,采用格林应变张量与第二Kirchoff应力张量度量,对深海无粘结柔性管抗拉伸层螺旋形钢缆结构平衡方程进行了推导,编写了分析程序。利用该程序,分析了抗拉伸层钢缆在轴对称载荷下和弯矩作用下的曲率变化和结构响应;同时利用三维直梁有限元模型与曲梁有限元模型建立数值模型,将程序结果与数值模拟模型结果进行了对比,证明了结果可行性。该结果可为柔性管抗拉伸层结构设计提供快速的预估计方法。     

上凸型内孤立波场中顶张力立管极值响应分析

为研究上凸型内孤立波作用下立管的响应问题,建立了顶张力立管在上凸型内孤立波场中的运动方程,流体作用力通过Morison方程求解,上凸型内孤立波引起的速度和加速度用两层流体KdV方程计算;采用有限元法离散控制方程,并用Newmark-β法在时域内求解。通过数值模拟探索上凸型内孤立波作用下顶张力立管的位移、弯矩、应力、顶底端转角等极值响应规律,并分析内孤立波幅值、上下两层流体密度差、顶部张力及壁厚对立管响应的影响。研究结果表明,上凸型内孤立波会引起顶张力立管的位移、弯矩、应力及顶底端转角显著增大;由于上凸型内孤立波引起的海水剪切作用剧烈,导致上下两层流体中立管位移反向。     

缓波型柔性立管涡激响应数值模拟

缓波型柔性立管的涡激振动问题是当前海洋工程界的研究热点.本文基于Milan尾流振子模型,通过Or?caFlex软件及悬链线方程,考虑缓波型柔性立管的几何非线性及三维效应,基于等效原则将缓波型柔性立管转换为直立立管进行分析,同时探讨了不同浮子段覆盖率对缓波型柔性立管涡激振动特性的影响规律,给出了立管不同轴向位置处的运动轨迹,为揭示缓波型柔性立管涡激运动特征提供了借鉴.     

饱和密砂切削过程中的孔压发展规律

密实粉砂,以其显著的剪胀特性使得自航耙吸挖泥船耙头疏浚效率大大降低,耙齿行进阻力增大,疏浚适用土质受到了较大限制。在考虑饱和密实粉砂的剪胀特性基础上,将砂土应力应变与渗流耦合,通过有限元计算,分析丫饱和砂上在切削过程中的孔压发展规律。结果表明,饱和密砂在切削过程中有着较强的剪胀效应,随着切削速度的增加,作耙街刀尖前方产生越来越高的孔隙真空负压,致使土体有效应力显著增加,从而导致切削阻力明显提高。     

海洋非粘结柔性管道扭转失效特征行为分析研究

分析了扭转荷载引起的三种海洋非粘结柔性管道截面可能的失效模式:铠装钢丝强度失效、内层压溃失效及铠装钢丝屈曲失效。通过管道扭转时铠装钢丝的应力及层间相互作用的分析,对每种失效模式给出了失效判据表达式。通过综合对比分析,提出了非粘结管道截面最大允许扭转角度的保守预测方法。以某典型经济性柔性管道为例进行抗扭转能力的分析。计算结果显示,在反扭情况下骨架层压溃失效是最易发生的一种失效行为,其对应的扭转角度可用于该管道允许最大扭转角度的设计预测值。这项研究可以为海洋工程类似管缆结构抗扭转能力的设计提供参考。     

深水立管柔性接头橡胶-钢粘结界面端应力场分析

弹性体为深水立管柔性接头关键部件,与主体结构粘结的界面端附近为易发生损伤部位,针对其破坏机理问题,采用有限元软件ABAQUS对橡胶-钢粘结界面端的应力场及其影响因素进行分析,结果表明:橡胶-钢粘结界面端附近应力场存在明显的应力集中现象,并在θ=60°这一路径上的应力最大;改变界面端结合角可以影响橡胶-钢粘结界面端应力大小,但影响很小。     

k_0固结饱和黏土的动剪切模量与阻尼比试验研究

开展一系列k_0固结饱和黏土的动三轴试验,研究了围压、初始静偏应力、加载历史3种因素对动剪模量-动应变(G-γ)和阻尼比-动应变(λ-γ)关系曲线的影响,并利用Hardin Drnevich公式对试验获得的G-γ关系进行了分析。结果表明,k_0固结黏土的G/Gmax-γ曲线与围压无关;G-γ曲线随初始静偏应力水平的增加逐渐下移,λ-γ曲线随初始静偏应力水平的增加逐渐上移;以累积应变作为加载历史的度量,初始动剪模量G′随不同累积应变的增大逐渐减小,并呈现良好的线性规律;不同累积应变条件下的G-γ关系可用初始动剪模量G′作为归一化参数,并具有良好的归一化特性;累积应变对λ-γ关系影响不大。研究成果可为场地的动力特性评价提供必要参考。     

并列双立管涡激振动特性的数值和实验研究

为了观察并列双立管涡激振动中尾流及升阻力的变化情况,采用CFX数值模拟和实验相结合的方法对单立管及中心间距为2~8倍直径的并列双立管进行研究,CFX计算时考虑流固耦合的作用。结果表明:在间距为3倍立管直径时升力幅值出现最大值,此时两立管拖曳力一致,升力相位差为180°,且此时尾流叠加区域产生了一个与涡泄频率一致的速度变化场,导致立管的拖曳力周期与升力周期相同;随着间距的增加,一侧立管运动轨迹从椭圆形向8字形转变,可见低倍立管间距时,立管间的相互作用明显,随着距离的增大,影响将逐渐减弱。因此立管设计安装时中心距离应远离3倍直径,最好在8倍直径附近比较安全。