非粘合柔性立管截面特性的理論計(jì)算及BSR區(qū)域的疲勞分析.pdf

1、隨著海洋油氣開發(fā)持續(xù)向深水推進(jìn)，非粘合柔性軟管的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)鋼管相比，尤其當(dāng)管體需要承受較大的彎曲變形時(shí)，柔性軟管有著諸多優(yōu)點(diǎn)。然而由于自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要確定其力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)從來都非易事。螺旋層的存在為此引入了諸多的不確定性，特別是對(duì)于彎曲響應(yīng)。當(dāng)用作海洋立管時(shí)，其與浮式平臺(tái)的連接部位由于受到動(dòng)力載荷的作用，極易發(fā)生過度彎曲或疲勞失效。彎曲剛度加強(qiáng)件(BendStiffener，BSR)則為其提供了一個(gè)彎曲剛度的過渡區(qū)域

2、，以保證柔性立管的安全。
　　本文的主要任務(wù)是建立相應(yīng)的理論模型來分析柔性立管-BSR這一系統(tǒng)的力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，主要包括柔性立管的截面分析和BSR的非線性響應(yīng)分析。此外，柔性立管的疲勞分析也是本文一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。
　　非粘合柔性軟管的截面分析可以分為軸對(duì)稱響應(yīng)分析和彎曲響應(yīng)分析。本文建立了柔性軟管在軸向力、扭矩以及內(nèi)外壓等軸對(duì)稱載荷作用下的響應(yīng)分析模型。首先基于能量法推導(dǎo)出軟管各層的平衡方程并寫成矩陣形式，得到其剛度

3、矩陣;然后將各層剛度矩陣進(jìn)行組裝并考慮邊界條件得到總剛度矩陣;進(jìn)而通過迭代求解出所有變量。該模型可自行判斷各層之間可能發(fā)生的分離并相應(yīng)調(diào)整層間的接觸壓力，因而可以考慮軸向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的耦合以及載荷施加的方向。Rough Bore型和Smooth Bore型的差別也通過調(diào)整載荷向量的方式進(jìn)行了考慮。
　　通過將各層的彎曲響應(yīng)函數(shù)相加，建立了柔性軟管的彎曲響應(yīng)分析模型。對(duì)于螺旋層，通過將其模擬為等效的圓管，推導(dǎo)出無滑移和完全滑移

4、之間這一過渡段的彎矩-曲率關(guān)系以及彎曲剛度-曲率關(guān)系的顯式表達(dá)，成功模擬了過渡段的非線性彎曲行為。正確考慮了螺旋條帶局部彎曲和扭轉(zhuǎn)的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明其對(duì)完全滑移剛度有較大影響，應(yīng)在彎曲分析時(shí)予以考慮。此外，對(duì)初始接觸壓力的重要性也進(jìn)行了討論。該模型顯式地描述了循環(huán)彎曲時(shí)柔性軟管的彎曲遲滯行為。
　　截面分析的理論計(jì)算均與現(xiàn)有文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行了比較，二者吻合良好。
　　給出一種BSR的錐形設(shè)計(jì)方法，并推導(dǎo)出其尖部轉(zhuǎn)角的解

5、析表達(dá)式。建立了柔性立管-BSR系統(tǒng)的非線性響應(yīng)分析模型，首次同時(shí)考慮了幾何非線性、材料非線性以及柔性立管非線性的彎矩-曲率關(guān)系等非線性因素。此外，給出一種確定BSR截面彎矩-曲率關(guān)系的理論方法，大大簡(jiǎn)化了其本構(gòu)關(guān)系的計(jì)算。
　　柔性立管的疲勞性能一直是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素之一，立管與浮式平臺(tái)的連接部位則是一個(gè)容易發(fā)生疲勞失效的危險(xiǎn)區(qū)域。基于Longuet-Higgins分布將表征長(zhǎng)期海況的波浪散布圖分解為單個(gè)規(guī)則波的散布圖，