海洋柔性立管線型基本設(shè)計方法研究.pdf

1、海洋柔性管道常常懸掛于浮體之下，以立管形式進(jìn)行服役或鋪設(shè)。此時，柔性管道不僅需承受管道自身、內(nèi)部輸送流體以及附屬構(gòu)件的重力、浮力等功能性荷載，還會受到波浪、流、浮體運動等環(huán)境荷載的作用，可能出現(xiàn)過度拉伸、彎曲、疲勞，以及與其他物體碰撞等失效。因此，需要將給定的柔性管道設(shè)計成一定的幾何形態(tài)，布置于水下空間，并借助附屬構(gòu)件對立管的整體形態(tài)和局部變形進(jìn)行控制，以避免發(fā)生上述失效，此項工作稱之為“線型設(shè)計”。中國的柔性立管線型設(shè)計長期依賴國外公

2、司，不僅設(shè)計成本高昂，而且制約了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。在國家“十二五”863項目——“柔性海底管道關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA09A212）的支持下，論文系統(tǒng)研究并掌握了柔性立管線型和附屬構(gòu)件基本設(shè)計、詳細(xì)分析的理論與實現(xiàn)方法。
　　柔性立管線型的基本設(shè)計是確定立管空間布局、整體幾何參數(shù)，并對附屬構(gòu)件提出需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前工程界常用試算法進(jìn)行上述設(shè)計，即依據(jù)類似工程經(jīng)驗初步給出上述關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，再針對各類可能失效模式進(jìn)行校核;若設(shè)計不

3、滿足所有的失效準(zhǔn)則要求，則返回修改設(shè)計參數(shù)，直至獲得可行設(shè)計。隨著柔性立管應(yīng)用向超深水(水深≥1500m)、極淺水(水深≤50m)不斷拓展，其線型設(shè)計的變量較多、荷載工況數(shù)量龐大、失效模式多樣，以及整體分析昂貴的問題更加突顯。上述問題不僅造成使用傳統(tǒng)試算設(shè)計方法效率低、成本高，甚至于無法獲取可行設(shè)計;也為引入耦合設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計等先進(jìn)設(shè)計方法帶來了挑戰(zhàn)。為此，本文針對柔性立管在位與鋪設(shè)線型的基本設(shè)計的方法展開了研究，主要工作如下:

4、　　(1)針對當(dāng)前柔性立管的線型和附件設(shè)計相對獨立，存在設(shè)計迭代次數(shù)多且不利于總體性能優(yōu)化的問題，本文提出柔性立管線型與附件集成的設(shè)計方法以克服上述難題?；谌嵝粤⒐芫€型、防彎器和浮筒設(shè)計的力學(xué)原理，使用簡化、高效的理論分析方法在基本設(shè)計階段進(jìn)行線型和附件的集成設(shè)計;然后使用有限元動力學(xué)分析軟件，對獲得的線型與附件設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，驗證設(shè)計的可靠性。上述集成設(shè)計方法，通過對柔性立管線型與附件的同步設(shè)計與驗證，減少設(shè)計迭代次數(shù)、提高設(shè)計效

5、率，并且有利于獲取綜合性能更優(yōu)的設(shè)計方案。本文以一個超深水（1500米）柔性立管線型的設(shè)計案例，實踐了上述集成設(shè)計方法;并且通過同步修正線型與附件，綜合提升了此立管的抗疲勞性能。
　　(2)針對極淺水柔性立管線型設(shè)計因為結(jié)構(gòu)高度非線性、動力響應(yīng)顯著而必須使用非線性時域動態(tài)分析，并且因為存在多種關(guān)鍵失效模式導(dǎo)致設(shè)計可行域較小、難以搜尋可行設(shè)計的問題，本文提出了基于代理模型的柔性立管線型優(yōu)化設(shè)計方法。通過建立代理模型代替昂貴的立管線型

6、非線性時域分析;同時構(gòu)造優(yōu)化數(shù)學(xué)列式，借助優(yōu)化算法代替人工試算，從而實現(xiàn)高效設(shè)計。以一個極淺水陡波型立管的設(shè)計作為案例，取線型各段特征長度作為設(shè)計變量，以動態(tài)極值曲率響應(yīng)作為優(yōu)化目標(biāo)，以管體結(jié)構(gòu)失效作為約束條件，建立了該立管線型優(yōu)化數(shù)學(xué)列式;進(jìn)而，使用優(yōu)化拉丁超立方方法抽樣，并對樣本進(jìn)行非線性時域分析，構(gòu)造了變量與響應(yīng)之間基于徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)的代理模型;使用多島遺傳算法與非線性二次規(guī)劃法(

7、NLPQL)混合的優(yōu)化算法，兼顧全局尋優(yōu)性與優(yōu)化求解效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。算例顯示，即使在所有抽取的樣本均不滿足曲率設(shè)計約束的條件下，使用上述方法仍以較高精度獲取一個滿足所有失效約束的優(yōu)化設(shè)計。
　　(3)本文以柔性立管典型的緩波線型為研究對象，發(fā)展了一種使用線型各特征段端部角度作為設(shè)計變量的基本設(shè)計方法，稱為“角度設(shè)計法”。區(qū)別于傳統(tǒng)的、以線型各關(guān)鍵長度作為設(shè)計變量的方法，角度設(shè)計法具備設(shè)計變量獨立、無量綱且易于控制線型幾何形態(tài)等優(yōu)

8、點，可以有效避免傳統(tǒng)設(shè)計方法的大量產(chǎn)生幾何不可行樣本、浪費計算資源的問題，從而提升了立管線型的基本設(shè)計效率。首先闡述了角度設(shè)計方法的設(shè)計理論與流程，然后使用參數(shù)化方程實現(xiàn)角度設(shè)計，通過調(diào)用行業(yè)認(rèn)可的柔性立管線型數(shù)值分析軟件對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證。角度設(shè)計法對緩波線型設(shè)計的簡化與效率提升，為引入基于“順應(yīng)性”的設(shè)計方法提供了實施基礎(chǔ)。進(jìn)而，本文探討了柔性立管線型的“順應(yīng)性設(shè)計”概念并給出了簡化的度量指標(biāo)，即將柔性立管線型的順應(yīng)性能曲線保守近似

9、為，以浮體平衡位置為圓心，滿足柔性立管結(jié)構(gòu)失效約束條件的最小浮體偏移量為半徑的圓，使用偏移半徑作為線型順應(yīng)性的度量指標(biāo)。在設(shè)計案例中，基于角度設(shè)計法，憑借參數(shù)分析獲得了不同“順應(yīng)性”目標(biāo)的緩波線型。
　　(4)柔性管道在鋪設(shè)過程中同樣會呈現(xiàn)立管形態(tài)并且需要對其線型進(jìn)行設(shè)計，特別是在鋪設(shè)上彎段，柔性管道將與下水橋產(chǎn)生彈性接觸，且因為接觸應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)動力學(xué)耦合等問題而難以實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測。本文首先使用非線性時域分析方法實現(xiàn)對鋪設(shè)過程中整

10、體線型的動態(tài)仿真，通過非線性時域方法分析獲取了管道的動態(tài)鋪設(shè)張力、入水角度等設(shè)計所需信息。針對鋪設(shè)上彎段局部線型的受力分析問題，基于歐拉梁與Hertz接觸假設(shè)，建立梁與彈性圓柱面的變形耦合接觸分析模型，用于上彎段接觸壓力的快速分析;并且結(jié)合對下彎段部分的受力分析、補充了邊界條件，實現(xiàn)了對上述接觸分析模型的求解。最后，建立了模擬鋪設(shè)上彎段的室內(nèi)半物理仿真試驗系統(tǒng)，用于分析柔性管道與下水橋結(jié)構(gòu)的動力耦合問題。具體使用了六自由度運動平臺模擬鋪