考虑填充钢管脐带缆拉伸行为的有限元分析

脐带缆是连接平台或浮式生产系统与海底油井的控制管缆,缆芯由管单元、光纤单元、电缆单元、以及填充单元组装而成,缆体外层由铠装钢丝螺旋缠绕和聚合物护套组成。基于ANSYS有限元软件,建立无铠装含填充的钢管脐带缆三维有限元模型,在自由端可扭转、不可扭转约束条件下,计算模型的拉伸刚度,将拉伸刚度的数值模拟与理论结果进行对比,验证有限元模型的正确性;分析比较含填充与不含填充两种截面形式脐带缆模型的力学性能,结果表明:填充单元、拉伸率对脐带缆模型的拉伸刚度、最大等效应力模拟结果均有影响。     

钢管脐带缆扭转平衡设计

钢管脐带缆包含多种螺旋缠绕的功能单元，其在外力载荷下会发生相对运动，而且钢管的刚度较大对扭转平衡有重要影响，因此，相对于普通电缆，钢管脐带缆在扭转平衡设计时更加困难。根据扭转平衡理论公式，采用控制变量法，以第二层铠装钢丝的绞合角度为变量进行扭转平衡设计。首先建立脐带缆缆芯有限元模型，对其施加拉伸载荷，结果显示缆芯出现了扭转，这证明不能将脐带缆缆芯视为一实心圆柱。其次建立不同绞合角度的脐带缆有限元模型，设置各功能单元的材料属性和摩擦系数，分析模型在拉伸载荷下的扭转角度，并将相同拉伸载荷下的扭转角度拟合为直线，从而得到钢管脐带缆在扭转平衡状态时的最优绞合角度。最后，采用试验方法对实物钢管脐带缆进行扭转平衡测试，测试结果显示在拉伸载荷下脐带缆单位长度扭转角度十分微小，这表明缆是扭转平衡的。因此验证了使用的有限元方法在钢管脐带缆扭转平衡设计中的有效性。     

脐带缆铠装层参数对拉伸行为的影响分析

脐带缆用于连接水上浮体和水下生产系统,缆芯由钢管单元、光纤单元和电缆单元等组装而成,缆体外层是由铠装钢丝层螺旋缠绕以及聚合物外护套组装而成,截面结构复杂。利用ANSYS有限元通用软件建立双层铠装脐带缆的三维多层接触摩擦有限元模型,计算其截面拉伸刚度,将拉伸刚度数值模拟值与理论结果进行对比,验证有限元模型的正确性;分析比较铠装层不同缠绕角度、缠绕方式和钢丝直径下脐带缆模型的拉伸刚度。结果表明:铠装钢丝层缠绕方式、缠绕角度、铠装钢丝直径对双层铠装脐带缆模型的拉伸刚度、最大等效应力模拟结果均有影响。     

非粘结钢管脐带缆弯曲滞回参数敏感性分析

本文基于ABAQUS有限元软件,建立非粘结钢管脐带缆的三维有限元模型计算其弯曲刚度,将弯曲刚度的数值模拟与理论结果进行对比,验证了模型的正确性,在此基础上逐一分析了摩擦系数、外压大小、螺旋角度等敏感性参数变化以及填充单元对弯曲迟滞性能的影响。研究结果表明,随摩擦系数和外压大小的增大非粘结钢管脐带缆全滑移阶段和滞回阶段弯曲刚度明显增加,而随螺旋角度增加两阶段弯曲刚度则是呈减小趋势。此外,填充单元对两阶段弯曲刚度的影响与摩擦系数的大小有关。     

海洋脐带缆截面力学性能分析与数值模拟

脐带缆是进行水下油气资源开采的关键设备,在深海油气资源的开发过程中起着至关重要的作用。脐带缆是由多种功能单元螺旋缠绕而成的非粘结复合结构,各层构件之间会出现接触摩擦与滑动现象,使脐带缆的截面设计和结构分析变得十分困难。本文结合国内外研究的成果,在对脐带缆结构进行理论分析的基础上,利用ANSYS软件分别对无铠装和有铠装脐带缆进行数值模拟分析,采用梁单元和壳单元模拟管件,并用点-点和点-面接触单元模拟管件之间的相互作用,将数值模拟结果与理论计算结果进行对比,探讨不同的管件缠绕角度、摩擦因数对脐带缆的拉伸和弯曲刚度的影响。分析结果可为工程应用提供参考和借鉴。     

脐带缆螺旋滑移分析及力学性能研究

针对脐带缆内部螺旋层,应用Darboux标架建立螺旋结构空间坐标系,推导弯曲载荷下螺旋结构的局部变形和滑移。考虑螺旋构件间的接触和摩擦作用,建立螺旋结构的受力平衡偏微分方程,并研究螺旋角和摩擦系数对螺旋结构滑移的影响。基于同层螺旋结构本构关系相同假设,将所有螺旋结构力学性能线性叠加,拟合脐带缆整体弯曲刚度。运用建立的理论解析方法,对某双层铠装脐带缆的力学性能进行研究,并与数值模拟结果进行对比验证。对比结果表明,理论解析得到的螺旋滑移结果与数值模拟结果一致,理论解析得到的脐带缆弯曲刚度与数值模拟结果在全滑动阶段比较接近。     

非粘结柔性立管螺旋键缠绕角度敏感性分析

非粘结柔性立管结构形式复杂,层与层之间涉及摩擦、接触等非线性特性,使其数值模拟方面很难同时保证效率与精度。针对柔性立管特殊的结构形式,本文建立不同角度螺旋键的非粘结柔性立管高效分析简化模型,通过Ansys workbench软件分析非粘结柔性立管在内压和拉伸、扭转、弯曲的组合荷载工况下螺旋键缠绕角度对其刚度的影响。结果表明:本文所建立的立管简化分析模型与立管原型的力学性能吻合较好,并且可以提高计算效率;螺旋键缠绕角度越大,立管的扭转刚度越大,拉伸刚度与弯曲刚度越小;内压的施加对拉伸刚度、扭转刚度和弯曲刚度是有利的,内压对于弯曲刚度有较明显的增加,对拉伸刚度和扭转刚度有较小程度的增加。     

基于多阶段贝叶斯网络法的脐带缆全寿命周期可靠性分析

脐带缆是深海油气开发的关键设备之一,主要由钢管单元、电缆单元、光缆单元、护套及铠装单元组成。脐带缆在全寿命周期经过设计制造、储存、安装、在位运行、修复阶段,其每个阶段的可靠性并不是某个常数,而是随时间变化的函数,因此有必要对脐带缆全寿命周期可靠性的变化进行分析。建立某气田水下脐带缆在储存、安装、在位运行阶段的故障树模型,将其转化为多阶段贝叶斯网络模型进行建模分析,基于OREDA手册数据,假设部件寿命服从指数分布,对脐带缆存储、安装、在位运行阶段的可靠性进行分析,得到不同阶段脐带缆可靠性的变化曲线,并与可靠性框图方法进行对比分析。同时,通过引入条件可靠性对该方法进行了优化,分析脐带缆修复后的可靠性变化,以及对脐带缆关键部件进行重要度分析,针对薄弱环节提出改进措施。可靠性分析可为水下脐带缆的安全运行提供技术支持,同时也为海洋结构与设备的全寿命周期可靠性分析提供了一种方法参考。     

深水脐带缆结构阻尼的数值与试验研究

深水动态脐带缆内部结构复杂,其阻尼特性对脐带缆的舞动以及疲劳损伤有着重要的影响。脐带缆在和流体相互作用过程中,脐带缆内部构件可能会产生滑动,进而影响脐带缆的结构阻尼,这也使得真实海况中脐带缆的舞动和疲劳是一项复杂而值得深入研究的课题。为验证有限元模型能够很好地模拟脐带缆的结构阻尼特性,在考虑内部结构单元间摩擦的基础上,利用ANSYS建立了用于中国南海某油田的脐带缆多层滑移接触摩擦模型。同时,采用自由衰减法对该动态脐带缆开展了原型试验,测得了该缆的结构阻尼比与自振周期。通过对比有限元模型计算结果与原型试验结果发现：数值模型获得的该脐带缆的结构阻尼值与试验值非常接近,这为工程中获得脐带缆结构阻尼比的值提供了好的方向。     

海洋动态缆的截面布局及数值模拟研究

脐带缆是海洋动态缆的主要类型,通常由不同功能的单元组装而成,外层一般由铠装钢丝螺旋缠绕和聚合物护套组成。脐带缆在敷设安装和在位运行时,受到拉伸荷载作用,外层铠装钢丝由于其螺旋缠绕特点,会将拉伸荷载转化成径向压力作用到脐带缆内芯上,使脐带缆截面产生应力和变形,所以径向压力是截面布局设计的重要参数。本文推导了脐带缆在轴向拉力作用下对内芯产生的径向压力P,同时基于截面布局多边形的概念,可以绘制多边形图,由图能直观的反映截面的承载能力和各单元受力均匀情况。最后以一个包含不同单元的脐带缆为例,运用ANSYS有限元软件,进行了不同截面布局的建模计算和分析,考虑了单元间的接触和摩擦,给出了数值分析结果,通过对径向荷载作用下截面变形和单元最大受力的比较分析,结合截面布局多边形图,确定了合理布局方案。对脐带缆截面布局设计有重要指导意义。     

组合载荷作用下深海非粘结柔性管力学性能对比分析

建立深海非粘结柔性管新型力学数值分析模型,分析其在复合载荷工况下的力学性能。深海非粘结柔性立管是深水资源开发的关键设备,安装成本低,适用于恶劣深海环境。然而,由于非粘结柔性管本身的结构型式复杂以及层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使其局部力学性能分析面临众多挑战。研究针对非粘结柔性立管特殊的结构型式,建立一个高效的数值分析模型,对其刚度进行数值求解并与实验结果进行对比,探讨了内压和拉伸、扭转、弯曲的组合载荷工况和拉扭组合载荷工况对非粘结柔性立管刚度的影响。研究表明,本文所建立的简化模型计算结果与实验结果吻合较好。此外,柔性立管所受到的内压可以在一定程度上增加非粘结柔性立管的刚度;拉扭组合载荷工况使非粘结柔性立管的拉伸刚度降低明显,而使其扭转刚度少量增加,总体上较单一载荷工况更加危险。     

斋堂岛潮汐能发电动态脐带缆线型设计与分析

潮汐能是一种清洁能源,利用潮汐能发电是目前亟待开发的一种发电方式。潮汐能发电海上作业的主要输电装置是脐带缆,在浅水海域动态脐带缆随发电装置的运动幅度特别大。为了解决这一问题,采取了一种新的脐带缆敷设方式,锚缆连接的方式。利用Orcaflex软件进行模型建立和模拟计算,通过多次模拟和比较,得到脐带缆的最佳连接方式。     

基于有限差分法的复合系泊链缆动力模型及其验证

具有链—缆—链结构的复合系泊链缆因其相对于全钢链质量和成本上的优势而在深水系泊中得以广泛应用。基于细长杆理论采用有限差分法建立了可以考虑链—缆—链结构的复合系泊缆数值模型,将其应用于不同工况下全钢链和复合链缆运动的数值模拟中,并开展了验证。首先,将单根钢链顶张力数值模拟结果与不同工况下的模型试验结果进行了对比,验证了数值预报程序应用于全钢链的准确性。然后,对于复合系泊链缆开展了静刚度和动刚度迭代数值模拟,并将模拟结果同已发表文章中的算例结果进行比较,验证了该数值模型在复合链缆模拟上的准确性。发现对于单根钢锚链的验证,激励半径越大,激励周期越小,一个周期内顶张力幅值及其极差越大,钢链运动就越剧烈。对于链—缆—链式复合系泊链缆的验证,发现静刚度迭代中数值模拟结果与算例结果差异较小;对于动刚度迭代,除个别大幅慢漂工况外,两者有较高的吻合;且激励周期越小,激励半径越大,复合系泊链缆顶张力越大,弹性模量越小,运动越剧烈。对于聚酯缆刚度的敏感性分析,发现改变动刚度经验公式参数的情况下,杨氏模量的静刚度迭代和动刚度迭代结果误差分别最大达到了60.81%和68.21%,因此合成纤维材料特性对复合系泊链...     

脐带缆在潜器下放过程中的运动建模与仿真

潜器在下放布置过程中需要考虑变长度的脐带缆对其运动的影响,在考虑流的情况下,对脐带缆的有限差分模型进行了改进,并采用最小二乘方法求解由时间和空间上的中心差分格式离散后的非线性方程组。为了验证模型改进的有效性,将潜器在均匀定常流中水平匀速直航时的数值解与该特殊情况下的解析解进行比较,两组解的吻合不仅证实了模型改进的有效性,而且表明上述数值计算方法是可靠且有效的。在潜器下放布置运动给定的情况下,脐带缆的运动仿真结果表明,潜器姿态角的调整会对拖曳点处的缆绳张力大小和变化趋势产生显著的影响,流在改变缆绳空间形状的同时引起了缆绳对潜器作用力和力矩的非线性和时变性,脐带缆总是阻止潜器自身动力对运动速度和姿态角的改变,且对纵荡运动的影响最大。     

深水钢管脐带缆安装下放过程研究

钢管脐带缆是深水海洋石油开发中的重要结构,在深水中的安装面临着巨大的挑战。数值模拟可为钢管脐带缆在深水中安装提供理论基础。针对某钢管脐带缆在1 500 m水深的安装下放过程进行了有限元分析。充分考虑了钢管脐带缆螺旋构件在安装下放过程中的接触、挤压、摩擦和滑移等复杂的非线性问题,并校核内部主要构件的强度。提出可以通过优化钢管脐带缆的横截面及改善内部构件材料的方法来克服钢管脐带缆在深水中安装存在的问题。     

深海ROV多层脐带缆绞车卷筒力学分析

通过对深海ROV脐带缆微元段受力情况的分析,基于简化理论模型的假设,建立了能够模拟脐带缆绞车卷筒受力情况的理论模型。对比某绞车的实验数据,验证了本力学模型的正确性。通过对实例的计算分析,能够为深海ROV脐带缆绞车的设计工作提供理论支持。     

基于半数值方法的限弯器剪弯刚度分析

柔性管缆限弯器存在接触非线性导致剪弯刚度分析困难。为此先基于悬臂梁方程建立剪弯刚度理论模型;然后构建考虑接触边界的锁合结构数值模型,得到其扭转刚度曲线;最后结合理论分析和数值计算求得考虑接触非线性的限弯器剪弯刚度曲线,并同传统的整体数值方法相比较,验证该半数值分析方法的有效性。对比发现基于半数值方法的限弯器剪弯计算效率远高于传统数值方法,其结果误差也满足工程需求;并且限弯器锁合结构处受接触边界影响有明显的非线性;限弯器子梁这一短梁结构基于Timoshenko梁理论计算的结果精度更高也更保守。相较于传统数值方法,该半数值方法用方程直接表达部分参数与剪弯刚度关系,并可以高效地分析限弯器剪弯刚度,使设计工作更加高效。     

不同浪向下脐带缆与主平台回接过程中的动力学响应

参考文昌油气田的脐带缆截面设计及具体工作环境参数,利用水动力分析软件OrcaFlex建立了文昌缆与主平台回接过程中的动力学响应模型,计算了在不同浪向下脐带缆在与主平台回接过程中的水动力响应。通过水动力分析结果可知:绞车的牵引速度和浪向的改变对脐带缆的牵拉过程有很大影响;脐带缆发生明显弯曲的部位von mises应力也会发生明显变化,但应力仍小于API 2RD的允许应力,可满足工程安全要求。     

遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析

脐带缆收放技术是有缆遥控水下机器人的一项关键技术,该技术直接影响水下机器人载体的收放及作业过程中脐带缆的安全。针对目前水下机器人收放系统中脐带缆收放技术的特点,给出了一种具有自动排缆、低张力缠绕、能够提供大牵引力和安全制动功能的紧凑新式脐带缆绞车方案,并对牵引绞车与储藏绞车之间脐带缆张力与牵引绞车的牵引力进行了理论分析,给出了二者之间的关系函数。     

深海观测系统脐带缆形态分析及计算

通过对水下拖曳系统脐带缆索的受力情况、形态进行分析，建立了三维空间缆索的物理模型和数学模型，并在此基础上编制了计算程序，对6000m深海观测系统脐带缆的性状进行了模拟计算，其结果为深拖系统最佳缆长的确定提供了理论依据。