钢悬链线立管静力及波激疲劳分析

论文摘要

海底管道的立管段结构是连接平台和海底管道或者井口的主要结构,所处外部环境相当复杂,一直是石油工程领域研究的热点。目前国内对浅海立管的理论研究已相对成熟,但对深海立管的研究尚处于起步阶段。深海立管主要受到波浪、海流、风载等环境载荷作用,同时还受到浮式平台运动的影响。这些载荷往往会造成立管及其它位置上管道的振动问题进而引发管道疲劳损伤等问题。本文首先主要做为基础介绍了近海结构水动力学中最基本的波浪理论,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作用在直立柱体上的波浪力的计算方法。在计算波浪载荷时,介绍了Morison公式以及波浪理论的选取和曳力系数和惯性系数的确定。介绍海流载荷的计算及在海流对波浪力的影响下波浪力的计算方法。然后采用ANSYS软件首先对悬链线立管节点进行静力分析,主要考虑立管在不同的漂移工作环境下,是否满足静力校核要求。其次对立管进行了模态分析,可以得知悬链线振动的特性。又对立管进行谐响应分析,得到不同方向激励下单元的等效应力-频率响应函数。最后基于Palmgren-Miner累积损伤准则,采用FORTRAN自编程序,计算SPAR平台横荡和垂荡的情况下,立管不同单元疲劳累积损伤率,从而预测立管疲劳寿命。另外,对于不同有义波高和特征周期的海浪情况,在SPAR横荡作用下,计算立管疲劳累积损伤率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 SCR的结构特点
• 1.2 SCR的关键技术
• 1.2.1 浮体运动的影响
• 1.2.2 与海底相互作用
• 1.2.3 疲劳损伤与寿命预测
• 1.3 SCR的应用前景
• 1.4 国内外研究概况
• 1.5 本文的主要工作
• 2 环境载荷
• 2.1 引言
• 2.2 波浪理论
• 2.2.1 基本方程及边界条件
• 2.2.2 线性波浪理论
• 2.2.3 斯托克斯波理论
• 2.2.4 椭圆余弦波理论
• 2.3 波浪载荷计算
• 2.3.1 作用在直立柱体上的波浪力
• 2.3.2 Morison公式中系数的讨论
• 2.4 海流
• 2.5 海流载荷
• 2.6 海流对波浪力的影响
• 2.7 本章小结
• 3 静力分析
• 3.1 立管模型概述
• 3.2 单元选择
• 3.3 单元的基本几何和相关物理尺寸
• 3.4 ANSYS中立管模型建立
• 3.5 静力算例分析
• 4 模态分析
• 4.1 模态分析基本理论
• 4.2 模态分析的基本过程
• 4.2.1 建模
• 4.2.2 加载以及求解
• 4.2.3 模态扩展
• 4.3 算例分析
• 4.3.1 在 ANSYS中进行模态分析计算
• 4.3.2 模态振型图
• 5 钢悬链线立管波激响应应力计算
• 5.1 利用 ANSYS计算波激响应应力理论
• 5.2 计算结果
• 5.2.1 X方向激励下单元等效应力-频率响应函数图
• 5.2.2 Z方向激励下单元等效应力-频率响应函数图
• 6 波激响应疲劳损伤分析
• 6.1 SCR疲劳计算理论
• 6.1.1 疲劳概述
• 6.1.2 随机载荷下的疲劳计算过程
• 6.2 平台响应计算
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 平台模型以及参数介绍
• 6.3 海浪谱的计算
• 6.3.1 纽曼海浪谱
• 6.3.2 皮尔逊—莫斯柯维奇海浪谱
• 6.3.3 我国海浪部门提出的沿海海浪谱
• 6.3.4 国际船模试验池会议推荐的标准海浪谱
• 6.4 基于不同工况采用 FORTRAN自编程序计算疲劳损伤率
• 6.4.1 SCR上不同单元在 SPAR横荡作用下的损伤计算
• 6.4.2 SCR上不同单元在 SPAR垂荡作用下的损伤计算
• 6.4.3 不同海况下，SCR波激疲劳的损伤计算
• 6.5 本章小结
• 7 本文工作总结及展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 本文工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢