含裂纹管线的动力响应分析方法研究

论文摘要

海底管线是海洋石油天然气工程建设的关键工程之一,而随着海底管线使用年限的增加及环境或人为的因素,管线不可避免的出现裂纹等破坏情况。建造在地震活跃地域的裂纹管线潜在巨大的危险性,因此对裂纹管线的抗震研究是十分必要的。而现有研究多是建立在复杂的有限元分析方法基础上的,计算效率较低,无法满足结构快速分析的要求。本文开发出了一种快速模拟海底悬跨裂纹管线动力响应的简化计算方法,并展开相关研究。通过引入局部柔度理论建立了海底悬跨裂纹管线的动力分析模型。基于MATLAB环境编制了裂纹管线地震响应的计算程序,通过典型算例得到地震作用下裂纹管线的响应时程。同时采用三维有限元分析方法模拟裂纹管线的地震响应。通过对比,发现二者分析结果吻合较好,验证了本文方法的有效性,说明该方法不但可以较为准确地模拟裂纹管线的地震响应,而且与传统有限元分析方法相比具有较高的计算效率,可实现管线在地震作用下的快速结构分析,为裂纹管线的地震安全评估提供了一种有效方法。运用本文方法计算得到了裂纹管线的阵型,以及在地震作用下含裂纹单元的应变、剪力、弯矩、位移时程。结果显示,裂纹会引起管线阵型形状轻微的变化,对含裂纹单元的应变影响显著,对含裂纹单元的剪力、弯矩、位移的影响较小。位于管线同一位置的裂纹越深,管线阵型裂纹位置附近的凸起越明显,含裂纹单元的应变越大。地震响应过程中,相同参数的管线在简支约束下同一位置含裂纹单元的应变、弯矩、位移峰值比在固支约束下要大很多,因此处于近似简支约束下的裂纹管线结构更易发生破坏和失效。运用本文方法快速得到裂纹管线在交变荷载作用下的应力,采用雨流计数法对应力时程进行循环计数,得到应力幅值及循环次数,从而计算得到裂纹处应力强度因子幅值。根据疲劳寿命预测的理论,通过典型算例,估算了不同工况下裂纹管线的疲劳寿命。计算结果显示,含裂纹管线在交变荷载作用下,其应力虽远小于材料的屈服应力,疲劳寿命却已很短。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 裂纹模型研究
• 1.2.2 地震作用下海底悬跨管线的动水作用力研究
• 1.3 本文主要工作
• 2 海底裂纹管线动力分析模型
• 2.1 引言
• 2.2 裂纹管模型的局部柔度理论
• 2.2.1 局部柔度理论
• 2.2.2 非贯穿裂纹管的局部柔度
• 2.2.3 贯穿裂纹管的局部柔度
• 2.3 裂纹管有限元模型
• 2.3.1 节点刚度矩阵法
• 2.3.2 传递矩阵法
• 2.3.3 总柔度求逆法
• 2.4 裂纹管线动力分析方程
• 2.4.1 地震激励下管线所受的动水作用力
• 2.4.2 动力方程
• 2.5 小结
• 3 裂纹管线地震响应分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 裂纹管地震响应计算方法
• 3.2.1 动力方程求解
• 3.2.2 计算流程
• 3.3 计算结果验证
• 3.3.1 裂纹管有限元模型
• 3.3.2 固支裂纹管计算结果验证
• 3.3.3 简支裂纹管计算结果验证
• 3.4 简化计算方法
• 3.5 小结
• 4 裂纹管线振动及动力特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 裂纹对管线阵型的影响
• 4.3 裂纹对管线应变的影响
• 4.4 裂纹对管线剪力、弯矩和位移的影响
• 4.5 小结
• 5 裂纹管线疲劳寿命预测
• 5.1 引言
• 5.2 裂纹管线疲劳寿命计算理论
• 5.2.1 管线应力的循环计数
• 5.2.2 管线疲劳裂纹扩展速率
• 5.2.3 含裂纹管线的剩余寿命预测
• 5.3 典型算例
• 5.3.1 裂纹管线模型参数
• 5.3.2 裂纹处理
• 5.3.3 疲劳寿命计算
• 5.4 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢