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基于管土模型的钻井隔水管振动特性研究

作　者: 朱超
导　师: 马骏
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 隔水管非线性弹簧单元数值模拟
分类号: TB535
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 122次
引　用: 1次
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内容摘要

近年来,随着深水油气勘探和开发活动大大增加,海洋工程正在向更深的海域中建造生产系统,这是世界上海洋石油天然气工业发展的总趋势。我国浅海油气开发近些年取得了一定的成果,但深水区域的勘探与开发依然处于起步阶段,深水区油气勘探开发已经成为我国石油企业未来重点发展方向之一。随着水深的不断增加,钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂,作为平台重要的附属设备,隔水管受力状态更加恶劣和复杂,因此对隔水管进行振动特性研究和受力分析是一个至关重要的研究课题。国外在隔水管的设计理论,计算方法和施工安装技术等方面已经积累了多年的研究成果和经验,国内近几年也在理论研究,试验研究和数值模拟等方面取得了一定进展。本文首先简要地介绍了海洋工程中基本的波浪理论,讨论了线性波浪理论和斯托克斯波浪理论的基本方程及其推导,介绍了海洋工程结构物中波浪力的计算方法以及计算小构件的波浪载荷时的Morison公式以及波浪理论的选取及曳力系数和惯性系数的确定。本文利用有限元分析程序ANSYS建立了钻井隔水管与海底泥土相互作用的耦合分析模型,在隔水管底端入土部分,选取了P-y曲线法来计算隔水管与海底土壤接触部分的相互作用,并用有限元程序中的非线性弹簧单元建立了管土接触模型。在此模型基础上,对不同水深环境下管土模型与固支模型进行对比;计算了隔水管在不同性质土壤中的固有频率,并对隔水管泥面下固支点的位置确定进行了分析讨论;进行了流致振动的可能性分析;对钻井隔水管进行了简化建模分析,确定了隔水管所处的环境条件和环境载荷,研究了在波流联合作用下隔水管系统的弯曲载荷变化,比较精确地模拟了隔水管的受力状况;最后,对该隔水管进行了考虑几何非线性的瞬态动力学分析,得到了合理结果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
引言  8-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究背景和应用价值  9
  1.2 国内外研究进展和研究方法综述  9-13
  1.3 本文主要研究内容  13-14
2 隔水管环境载荷分析  14-29
  2.1 波浪理论概述  14-16
    2.1.1 线性波  14-15
    2.1.2 非线性波  15-16
  2.2 小尺度构件的波浪载荷计算  16-21
    2.2.1 莫里森(Morison)方程  16-19
    2.2.2 Morison公式中系数的讨论  19-21
  2.3 海流载荷  21-23
    2.3.1 海流  21
    2.3.2 海流载荷  21-22
    2.3.3 海流对波浪力的影响  22-23
  2.4 涡激现象简述  23-25
  2.5 海底地基特性及P-y曲线  25-29
    2.5.1 海底地基及土壤  25
    2.5.2 P-y曲线法  25-29
3 有限元分析方法及隔水管有限元模拟  29-41
  3.1 有限元软件及相关单元简介  29-34
    3.1.1 ANSYS软件简介  29
    3.1.2 PIPE59单元特性  29-34
  3.2 Newton-Ranhson法  34-36
  3.3 大变形效应  36-37
  3.4 算例分析  37-41
4 基于管土模型的隔水管自振特性分析  41-49
  4.1 管土模型  41-42
    4.1.1 基本假设  41
    4.1.2 模型的建立  41-42
  4.2 隔水管自振特性分析  42-49
    4.2.1 水深的影响  42-45
    4.2.2 土壤特性对隔水管固有频率的影响  45-46
    4.2.3 不同固支模型的对比  46-47
    4.2.4 流致振动分析  47-49
5 波浪载荷下的隔水管载荷分析  49-63
  5.1 考虑几何非线性的隔水管模型  49-51
  5.2 波浪周期对隔水管弯曲载荷的影响  51-53
  5.2 波浪高度对隔水管弯曲载荷的影响  53-56
  5.3 海流速度对隔水管弯曲载荷的影响  56-59
  5.4 非线性波浪载荷作用下隔水管动力响应分析  59-63
结论  63-65
参考文献  65-67
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  67-68
致谢  68-69

基于管土模型的钻井隔水管振动特性研究

内容摘要

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