海底管道整体式止屈器性能研究与穿越压力预测

整体式止屈器可有效抑制海底管道屈曲传播并避免管道的大规模屈曲失效。为探究整体式止屈器的止屈特性,预测其穿越压力,利用ABAQUS软件建立有限元模型,分析了整体式止屈器厚度、长度、径厚比等参数对穿越压力和穿越形式的影响机制,揭示了整体式止屈器的止屈特性。研究结果表明:在平行穿越阶段,增加止屈器厚度、有效长度可明显提升穿越压力;而在垂直穿越阶段,穿越压力增长速率明显放缓。结合有限元模拟结果,拟合得到了整体式止屈器在不同穿越形式下的穿越压力预测公式,其相较于已有经验公式准确性更高,对整体式止屈器的设计和建造具有重要的指导意义。     

海底管道止屈器形式与设计方法研究概述

海底管道的屈曲传播特性对于其整体安全性是极其不利的,一旦发生屈曲传播,会使整个海底管道结构发生失效破坏,为了解决屈曲传播问题同时兼顾经济性的考虑,可以在海底管道上安装止屈器。通过对国外已有止屈器资料的广泛深入调研,首先对止屈器的主要形式进行了总结和对比分析,然后对止屈器的设计方法和流程进行了简要总结。为我国深水海底管道铺设过程中止屈器的选择和设计提供有益的参考。     

双整体式止屈器结构性能研究及优化设计

建立了双整体式止屈器结构的三维有限元模型,模拟其在外部静水压力作用下的屈曲穿越过程,总结不同穿越破坏模式的产生条件及机理。对影响穿越破坏压力的主要参数进行敏感性分析,结果表明止屈器布置间距、两个止屈器的几何尺寸均会对整体止屈性能产生影响。在拟合的双整体式止屈器效率公式的基础上,依据非线性有约束优化理论,分别采用经典算法和智能遗传算法确定模型最优解,提出了一种兼顾结构重量与止屈性能的最优双整体式止屈器结构型式;并经计算分析,验证了该方法的可靠性和适应性。     

Patran与Abaqus技术在海底管道屈曲分析中的应用研究

针对海底管道屈曲稳定性问题,应用Patran二次开发技术,提出海底管道屈曲分析的参数化自动建模方法,其中核心问题为在Patran中直接建立楔形体单元组成止屈器几何形状以及管道表面skin单元的创建等,生成Abaqus可识别的数据文件。通过算例分析,将计算结果与全尺寸试验和DNV-OS-F101规范进行对比,验证了方法的可靠性。     

某无人水下航行器阻力特性数值模拟

基于FLUENT流体CFD软件,对带鳍舵布局的某无人水下航行器进行了阻力特性数值模拟.选择了合理入口边界条件、出口边界条件、压力与速度的耦合求解方法.数值模拟结果与风洞实验对比表明:该方法对无人水下航行器的阻力特性的预测精度较高,且对流场的显示更加详细、直观.所取得的研究成果对带鳍舵布局无人水下航行器的外形设计具有一定...     

浮力装置触发深海管道水平向整体屈曲效果的数值模拟研究

海洋油气资源的运输主要通过海底管道进行,管道在工作时受到较大的温度荷载,会产生整体屈曲变形。深海管道设计中常采用人为装置触发一定程度的水平向整体屈曲变形,来释放轴向的温度应力,浮力装置是常用的触发方式之一。本文通过数值模拟研究,分析了不同浮力大小和不同浮力施加范围下,管道水平向整体屈曲的临界屈曲力,得出临界屈曲力随浮力大小和施加范围变化的情况;并研究了不同土体阻力下,浮力装置触发整体屈曲的效果。研究表明,水平向土体阻力较大时,浮力装置触发水平向整体屈曲的效果较好。浮力装置的触发效果对轴向土体阻力不敏感。     

中国近海环流数值模拟研究综述

按照研究时间由早期到现代,研究方法由简单到复杂的顺序,综述了近几十年来海洋数值模拟工作在中国近海所取得的研究成果.目前,通过数值模式已经能够基本合理地模拟中国近海的海洋环流,黑潮、台湾暖流、黄海暖流等的路径、流量,对马暖流源区等问题的特征在数值模拟结果中也逐渐清晰.通过分析已有的工作,认为还存在多项关键技术问题,并受对中国近海环流认知程度的限制,中国近海环流的数值模拟研究还需要进一步的发展和完善.在未来的数值模拟研究中,通过变网格或多重网格嵌套技术,实现中国近海高分辨率的数值模式;应用更加符合实际情况的海洋参数化方案,发展风-浪-流-潮耦合模式;结合资料同化技术,发展预报模式等都应是中国近海环流数值模拟研究的重点发展方向.     

海底埋设高温管道隆起屈曲数值模拟研究

高温是引发海底管道整体屈曲失效的主要因素,而海床上存在的局部隆起使得高温埋设管道更加容易发生隆起屈曲。这里重点研究海底埋设高温管道发生隆起屈曲的临界温度载荷及其影响因素,提出了一种简化的数值模拟分析模型,同已有的相关实验结果比较表明,本方法可以较好地近似计算高温管道的隆起屈曲。基于本方法开展的参数分析,得到了管道覆土高度、混凝土配重层厚度、海床不平整对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势。     

海底管道周围局部冲刷数值模拟分析

通过建立一个垂直二维紊流模型来模拟管道周围流场,建立泥沙冲刷模型来模拟海床底面变化。其中,冲刷模型同时包括悬移质输沙和推移质输沙。海床底面变化通过计算底面泥沙总输运平衡关系得到。并进行多组冲刷数值实验,分析泥沙冲刷过程,总结出一套冲刷平衡深度经验公式。     

潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究

近年来微气泡减阻技术应用于水面舰船的相关研究取得重要进展,许多舰船已经采用了此类技术。然而该技术在潜航器上的应用整体上仍处于理论分析和试验测试阶段。以回转体潜航器简化模型为研究对象,利用多孔介质来简化喷气小孔,并结合不可压缩水体和可压缩理想气体的流体体积（VOF）方法,建立了Realizable ε-k湍流计算模式。通过拖曳试验验证了多孔介质等效喷气小孔的合理性和数值模式的准确性,结合试验和数值结果探究了微气泡减阻技术对潜航器航行阻力的影响。数值结果显示,气泡对潜航器尾流低速区的改变使尾部压力分布产生变化从而导致压差阻力增高。同时气泡可以显著降低其覆盖区域的黏性阻力。并且随着来流速度的提高,气泡覆盖范围扩大,黏性减阻率持续增加。进一步地,建立了加长改进模型,数值模拟结果表明,微气泡减阻技术不仅能大幅减小黏性阻力,还能有效减小模型总阻力。     

The cross-over mechanisms of integral buckle arrestors for offshore pipelines

Local buckling of submarine pipelines is unavoidable under extreme conditions and it can propagate along the pipeline. Thus, arrestors are installed in a periodic placement along the pipeline to limit the extent of catastrophic collapse between two adjacent arrestors. Generally, the integral buckle arrestors are crossed by two modes: the flattening mode and the flipping mode. This paper focuses on the cross-over mechanisms of arrestors by analyzing results from experiments and numerical simulations. Fifteen groups of full-scale and reduced-scale physical experiments are conducted to investigate the effect of local ovality of the downstream pipes on the arrestor performance. Furthermore, an extensive parametric study of cross-over modes of arrestors is performed by FE models to supplement the experimental results. It is found that the local ovality of the downstream pipes impacts the cross-over modes of integral buckle arrestors, which is more likely to deform by ovalization in the same sense as the local ovality. On the other hand, a new formula involving the major geometric and material characteristics of pipes and arrestors is proposed to estimate the flattening mode and the flipping mode of arrestors when the downstream pipes are intact. And the switch point of the two cross-over modes is 0.265.     

Effect of Longitudinal Plastic Bending of Pipeline on Buckle Propagation Pressure

A plastic ring-beam model simulating the longitudinal transition zone of submarine pipelines in the buckle propagation is presented. The nonlinear relationships between the buckle propagation pressure and the length of the transition zone and the position parameter of the longitudinal plastic hinge are derived using the energy principle. The related values are obtained by means of solving a set of nonlinear equations. The model conforms better to reality than the ring models for considering the effect of the longitudinal plastic bending of the transition zone. The computations for some stainless steel and aluminium tubes with different geometrical parameters are performed. The results obtained agree better with the experimental results than existing theoretical predictions.     

深水管道抗压承载力海上试验设想与分析

截至目前,国内外少有成功开展深水管道抗压承载力海上试验的案例,而海上试验对于验证室内压力舱模拟试验结果可靠性是非常必要的。对深水管道屈曲压溃及屈曲传播海上试验进行了设想和分析,并设计了试验流程。考虑到室内压力舱的加载特性,屈曲传播试验会受到若干因素影响,结合数值模拟,考虑屈曲传播海上试验中可能出现的各种加载条件对管道屈曲传播压力的影响进行了研究。数值模拟的结果与室内压力舱试验的结果之间存在一定差异,对该现象存在的原因进行了分析。还对试验中可能存在的问题及需要注意的关键难点提出了解决方案。     

Dynamic Analysis and Numerical Simulation of a Kind of Arrestor Arresting Buckle Propagation by FEM

For exact estimation of efficiency of a buckle arrestor,it is necessary to take the effect ofstructural inertia into account in the analysis of buckle propagation on elastic structures after meetingarrestors.Under this consideration,this paper deals with the dynamics of buckle arrest and its numerica1simulation on the basis of the beam system model used by Chater and Hutchinson(1983).The FEM com-bined with an improving arc-length control method is adopted to solve the dynamic equations describingthe arresting of buckle propagation. A new group of parameters for arrestor design which differs greatlyfrom that by the quasi-static analysis is obtained.The present results support the conclusion that the iner-tia of the beam cannot be neglected in such analysis.     

双拱初始缺陷海底管线水平向整体屈曲数值模拟分析

为了研究具有双拱反对称初始缺陷海底管线的整体屈曲特性,采用模态分析法将最可能出现的缺陷形态引入数值分析模型中。针对管线在高温高压作用下发生整体屈曲的动态变形特征,运用显式动力数值模拟方法研究了管线整体屈曲过程中水平向变形与轴向变形随温度和内压的变化规律,建立了在整体屈曲过程中屈曲管段与滑动管段轴力的变化过程与初始缺陷形态的关系。将数值模拟结果同经典解析解和室内模型实验结果进行对比,验证了本方法的可靠性。工程算例的分析结果表明,管线整体屈曲的发生是一个由低阶向高阶发展的过程,具有双拱缺陷的管线首先发生二阶模态的整体屈曲,而后过渡到四阶模态;管线整体屈曲的变形包括屈曲段的水平向变形和滑动管段的轴向缩进,其中水平变形释放了管壁内的轴力,轴力的释放量随初始缺陷尖锐程度的降低而增大;轴向缩进变形由于受到地基土的摩阻力使滑动管段内的轴力发生累积,轴力的累积量随初始缺陷的尖锐程度的降低而增加。以上研究成果对指导实际工程具有现实意义。     

不同径厚比的海底管道压溃屈曲研究

为了探索不同径厚比海底管道的压溃屈曲特性,本文分别采用挪威船级社（Det Norske Veritas,DNV）规范、有限元模拟和深海压力舱模型试验,研究不同径厚比海底管道承载外部水压的能力,并就DNV规范压溃屈曲计算公式对不同径厚比管道的适用性进行了讨论,优化了小径厚比海底管道压溃屈曲的设计方法。研究表明：小径厚比管道的压溃屈曲临界压力对管道径厚比的变化更敏感;DNV规范计算小径厚比管道的压溃屈曲临界压力偏小,在进行深海管道的压溃屈曲设计时,建议采用模型试验结合有限元模拟的方法,计算管道实际可提供的压溃屈曲承载力。