柔性管Reel-lay铺管安装稳定性分析

钢管的S-lay、J-lay铺管方法的应用研究已经非常深入,而柔性管的Reel-lay铺管法的应用研究则相对较少。由于管道本身的材料非线性、管土接触存在非线性以及环境的不确定性等问题过于复杂,因此通过类比J-lay铺管法,采用整管的力学性能、弹性海底模型及均匀流等方式对Reel-lay铺管的水下段稳定性问题进行了简化;根据悬链线理论和小变形梁理论,给出了柔性管Reel-lay铺管法的数值计算方法,并与有限元模拟的结果进行了对比分析。结果表明:随着铺设角度增大,管道受到的弯矩也随之增大,但管道顶部的拉力却随之减小;随着铺设水深的增加,管道悬浮段质量增加,管道顶部拉力明显增加,但弯矩明显减小;浮重对管道铺设很重要,应根据实际情况,选择合适的配重以满足管道稳定和铺设的要求。     

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。     

钢悬链线立管与海床土体接触问题的ANSYS有限元分析

钢悬链线立管(SCR)与海床土体的接触问题对立管的疲劳寿命影响很大.运用ANSYS有限元软件中的接触单元模拟SCR与海床接触处的相互作用,考虑海床土体的非线性,建立SCR与海床系统有限元模型,并同已有的等价梁-弹簧模型进行了比较和验证.运用该模型进行计算分析,探讨了管道重量、土体模型和摩擦系数等对管道入土深度和弯矩的影响,为进一步研究SCR与海床的相互作用提供参考.     

基于有限元分析的卷管法管道安装实时研究

采用卷管法铺设管道时,管道和铺设设备之间的接触作用十分复杂,并且管道在弯曲过程中将会产生塑性变形并可能发生局部屈曲,导致管道失效。基于有限元模型(FEM)实时模拟卷管法安装的整个过程,研究管道与铺设设备之间的接触作用;分析管道对于环境载荷和船体运动的动态响应;获得管道的应力应变值以校核局部屈曲。研究结果表明,管道弯矩大部分来源于管道与安装设备间的接触作用,而环境载荷及船体运动对管道的弯曲应力影响较小。     

基于ABAQUS的卷管式铺管法管道变形敏感性分析

卷管式铺管法在海管铺设中的应用愈发广泛,在铺设作业中管道会发生几何非线性变形,导致出现复杂的力学性能变化。针对管道在上卷、退卷过程中的屈服变化过程,通过弹塑性理论进行分析,推导出管道退卷后残余轴向应力的解析解;随后利用有限元软件ABAQUS建立模型实例,对比解析解与有限元模型,两者的计算结果基本吻合。基于上述有限元模型,研究上卷时的张力和退卷时的后张力对椭圆度、截面轴向应力和剪切应力的影响,并进行敏感性分析。模拟结果表明张力和后张力变化会影响管道截面的变形程度,退卷后截面上残余的轴向应力远高于剪切应力,并且通过敏感性分析,得到了残余椭圆度、残余应力随张力和后张力变化的规律。研究可为卷管铺设过程中张力和后张力的选择提供参考和借鉴。     

钢悬链线立管触地点区域管土相互作用的有限元分析

由于钢悬链线立管具有非线性特性,而海床土体又是软黏土,因此钢悬链线立管触地区域的管土的相互作用十分复杂。根据国外相关试验数据,采用ANSYS中的非线性弹簧单元模拟海床土体,考虑海床土体刚度退化和土吸力对管道的作用,建立海底管道拟静力有限元计算模型,计算分析管道与海床土体的相互作用,并探讨管道触地点区域关键点在顶端升沉运动下弯矩的变化规律,为进一步研究SCR与海床的动力相互作用提供参考。     

海底埋设双层管管道隆起屈曲分析

海底埋设双层管管道隆起屈曲分析是海洋管道设计的重要技术之一。在管道隆起屈曲分析中实现管土作用和内外管相互作用的准确模拟一直是工程应用追求的目标,也是其中的难点。利用管土作用单元和管中管单元等技术,建立了海底埋设双层管管道隆起屈曲分析有限元模型。该模型不但考虑了管道初始形状、压力、温差载荷、管道材料非线性等常规因素,还考虑了非线性管土作用和内外管相互接触作用,并能对管道屈曲前和屈曲后全程进行模拟。应用该模型,计算了一条高温高压埋设双层管管道隆起屈曲过程中的应力等。算例表明该模型有较好收敛性,能对一般海底高温高压埋设双层管管道隆起屈曲进行准确模拟。     

卷管铺设的海管曲率模型及残余应力计算

弯曲曲率是使用卷管铺设时首要控制的参数之一。通过对海管的上卷加载、完全卸载、退卷加载及再次卸载等过程的弹塑性分析,建立了各个阶段的曲率模型,并推导了海管完全卸载时残余应力的解析解。在此基础上,分析了曲率、曲率比、残余曲率比及残余应力等参数的影响因素,得到了卷管铺设中海管的最优弯曲曲率及海管截面上的残余应力分布规律,并提出了基于弹塑性理论的海管的残余曲率及残余应力的控制建议。     

海洋柔性立管弯曲加强器参数敏感性分析

针对海洋立管弯曲加强器所受环境载荷与功能载荷的特点,基于有限元法对某海洋柔性立管弯曲加强器结构进行数值分析。通过有限元分析软件建立了弯曲加强器与柔性立管组合等效模型,重点讨论了弯曲加强器的设计参数对其自身防弯性能的影响,根据弯曲加强器的曲率及柔性立管的应力分布,对弯曲加强器结构进行优化设计,得到结论可供设计参考。     

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。     

基于ABAQUS的海底管道静水压溃压力的敏感性分析

局部屈曲压溃是海底管道发生稳定性破坏的一种形式,随着管道的刚度相对越来越柔,厚度相对越来越薄,管道发生屈曲压溃的问题也越来越突出。运用ABAQUS有限元分析软件进行管道的非线性屈曲分析,确定不同径厚比、初始椭圆度、轴向拉力和弯矩作用下的管道静水压溃压力,以分析静水压溃压力对这些因素的敏感性。     

Analytical and numerical modeling for flexible pipes

The unbonded flexible pipe of eight layers,in which all the layers except the carcass layer are assumed to have isotropic properties,has been analyzed.Specifically,the carcass layer shows the orthotropic characteristics.The effective elastic moduli of the carcass layer have been developed in terms of the influence of deformation to stiffness.With consideration of the effective elastic moduli,the structure can be properly analyzed.Also the relative movements of tendons and relative displacements of wires in helical armour layer have been investigated.A three-dimensional nonlinear finite element model has been presented to predict the response of flexible pipes under axial force and torque.Further,the friction and contact of interlayer have been considered.Comparison between the finite element model and experimental results obtained in literature has been given and discussed,which might provide practical and technical support for the application of unbonded flexible pipes.     

单桩基础灌浆连接段受力机理分析

海上风机中,上部支撑结构和基础之间的连接是通过灌浆连接段实现的。近年来,风力发电发展迅速,风力发电机的功率越来越大,对单桩基础灌浆连接段的受力性能提出了更高的要求。在复杂荷载作用下,灌浆连接段受到轴力和弯矩的共同作用,有必要对压-弯共同作用下的灌浆连接段进行受力性能的研究。采用数值分析方法,分析了压-弯作用下不同轴压比时灌浆连接段的极限承载力、钢管与灌浆料之间的接触压力情况和灌浆连接段的应力情况。同时,根据学者Lotsberg提出的弯曲承载力组成理论,通过提取钢管与灌浆料之间的接触力,并对它们进行数值积分,分析了不同轴压比下灌浆连接段抗弯承载力组分的变化规律。通过分析,明晰了带剪力键的灌浆连接段的受力性能,为设计工作提供依据。     

Nonlinear joint flexibility element for the modeling of jacket-type offshore platforms

A new nonlinear two-dimensional tubular joint element is developed in this study on the basis of flexibility equations and the interaction between the axial force and the in-plane bending moment in the joint. Empirical equations are used to define the joint yielding in the axial direction and the in-plane rotation. An elastic-perfectly plastic yield function is adopted to include the combined effects of axial loads and bending moments on the yielding of the joint. The element formulation is straightforward, and it can readily be implemented in nonlinear finite element programs. Verification studies are carried out for the element to prove its suitability for the modeling of tubular joints of offshore jacket structures. It is concluded that the nonlinear joint model that has been developed produces accurate results, verified against experimental data as well as against sophisticated multi-axial finite element joint models.     

考虑轴向荷载和外压影响的非黏结柔性管道骨架层失效分析

非黏结柔性管道骨架层由不锈钢材料互锁缠绕而成,主要用于抵抗外压防止软管发生压溃失效.骨架层失效是柔性软管故障的最大风险,骨架层失效模式主要分为压溃失效和拉伸失效.采用非线性有限元方法并且考虑几何大变形、材料非线性、接触和摩擦等非线性效应的影响,对"S"型骨架层结构建立三维有限元模型,进行了单外压作用下的压溃失效分析和单一轴向拉力作用下的拉伸失效分析,而后开展轴向拉力和外压载荷组合作用下骨架层压溃失效分析.结果表明轴向拉力会一定程度上降低骨架层压溃承载力,相关结论可以为柔性软管结构设计和完整性评价提供参考.     

Analytical and Numerical Models to Predict the Behavior of Unbonded Flexible Risers Under Torsion

This paper presents analytical and numerical models to predict the behavior of unbonded flexible risers under torsion. The analytical model takes local bending and torsion of tensile armor wires into consideration, and equilibrium equations of forces and displacements of layers are deduced. The numerical model includes lay angle, cross-sectional profiles of carcass, pressure armor layer and contact between layers. Abaqus/Explicit quasi-static simulation and mass scaling are adopted to avoid convergence problem and excessive computation time caused by geometric and contact nonlinearities. Results show that local bending and torsion of helical strips may have great influence on torsional stiffness, but stress related to bending and torsion is negligible; the presentation of anti-friction tapes may have great influence both on torsional stiffness and stress; hysteresis of torsion-twist relationship under cyclic loading is obtained by numerical model, which cannot be predicted by analytical model because of the ignorance of friction between layers.     

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。