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悬链线立管触底端与海底相互作用分析

作　者: 王春玲
导　师: 王腾
学　校: 中国石油大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 悬链线立管 接触区 立管与海底相互作用 ABAQUS
分类号: TE95
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着海洋油气勘探开发逐步走向深水及超深水,涌现了多种新型的浮式平台以适应深海恶劣的环境载荷。钢悬链线立管成为了深海浮式生产系统油气输送的首选立管,在一定程度上克服了柔性立管和顶部张力立管在深海领域应用的局限性,被认为是深海立管系统的有效解决方案。钢悬链线立管设计的一个重要的控制因素就是触底点(TDP),悬链线立管的动态应力受立管与海底土的相互作用的影响。因此对悬链线立管与海底相互作用的研究具有重要的科学意义和广泛的应用价值。随着悬链线立管的普遍应用,由于立管与土的循作用引起的疲劳破坏引起了广泛关注。管土相互作用包括很多非线性过程:沟槽的形成、非线性土刚度、土吸力和立管与海底的脱离。本论文主要研究分析了立管与土的相互作用问题,从理论上研究了土与立管相互作用机制,给出了研究方法及其分析过程。应用有限元分析软件ABAQUS建立悬链线立管与土相互作用的模型,得出土体的骨架曲线及其影响因素,并对埋藏段关系的受力进行模拟。然后利用Opensees软件模拟立管与海底的接触区域将其模拟为立管与其支撑弹簧的相互作用,土弹簧的刚度特征由Qz材料来描述,研究了立管的变形、弯矩和弯曲应力,以及立管截面尺寸、船舶运动幅值和土吸力等因素对弯矩、变形和弯曲应力的影响。研究表明:立管的最大弯矩和最大弯曲应力集中在与海底接触的一小段距离,此处疲劳破坏最大。海底土不排水抗剪强度、不排水抗剪强度梯度、荷载的大小和立管截面尺寸都对立管的弯曲应力有显著影响。在吸力作用下立管的弯矩显著增加,在研究中考虑吸力的影响是很必要的。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第一章 绪论  8-26
  1.1 研究背景  8-11
    1.1.1 海洋资源的开发现状  8
    1.1.2 海洋平台和立管  8-11
  1.2 研究意义  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-20
    1.3.1 大尺寸实验  14-16
    1.3.2 管土相互作用实验研究  16-18
    1.3.3 线性弹簧的有限差分模型  18-19
    1.3.4 非线性弹簧的有限差分模型  19
    1.3.5 张力分离点弹簧的有限差分模型  19-20
  1.4 悬链线立管的结构  20
  1.5 悬链线立管的关键技术  20-25
    1.5.1 浮体的运动  20-22
    1.5.2 与海底相互作用  22-24
    1.5.3 疲劳寿命预测与疲劳损伤  24-25
  1.6 本文研究内容  25-26
第二章 管土相互作用分析  26-43
  2.1 管土相互作用过程  27-29
  2.2 立管沟槽的形成  29-30
  2.3 沟槽的外形公式  30-31
  2.4 骨架曲线  31-32
  2.5 土刚度  32-36
    2.5.1 静态刚度  33
    2.5.2 大位移动力土刚度  33-35
    2.5.3 小位移动力土刚度  35-36
  2.6 有限差分法  36-40
  2.7 土的弹性模量  40-42
  2.8 本章小结  42-43
第三章 管土相互作用数值模拟  43-54
  3.1 ABAQUS简介  43
  3.2 接触面的建立  43-44
  3.3 管土相互作用有限元模型  44-50
    3.3.1 分析过程  45-46
    3.3.2 首次贯入  46
    3.3.3 骨架曲线模型  46-48
    3.3.4 参数研究  48-50
  3.4 一定埋藏深度埋藏管线  50-53
    3.4.1 分析过程  50-52
    3.4.2 分析结果  52-53
  3.5 本章小结  53-54
第四章 管土相互作用整体分析  54-66
  4.1 Opensees 简介  54
  4.2 Qz 材料  54-56
  4.3 模型的建立  56-58
    4.3.1 边界条件和载荷  57
    4.3.2 建立模型  57-58
  4.4 有限元模型结果  58-60
    4.4.1 管截面尺寸影响  58-59
    4.4.2 钢悬链线立管运动的幅值  59-60
  4.5 土体吸力  60-64
    4.5.1 土体吸力模型  60-61
    4.5.2 最大土吸力  61-63
    4.5.3 土吸力模型的限制  63
    4.5.4 土体吸力的影响  63-64
  4.6 本章小结  64-66
结论与展望  66-68
参考文献  68-73
附录  73-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 石油、天然气工业 > 石油机械设备与自动化 > 海上油气田开发开采机械设备
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