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顶张力立管顺流向动力响应及疲劳研究

作　者: 李洪春
导　师: 郭海燕
学　校: 中国海洋大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 顶张力立管顺流向动力响应疲劳
分类号: TE952
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 42次
引　用: 2次
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内容摘要

海洋立管是海面作业平台与海底井口间的主要连接件,是海洋油气开发的重要设施,也是油气开发系统中最薄弱的构件之一。立管运行期间受力复杂,主要承受波浪、海流的作用,同时受到浮动平台运动的影响,通常做周期性的振动,长期作用下立管将产生疲劳破坏,造成严重的环境污染和经济损失。因此,对海洋立管进行动力响应和疲劳研究具有重要的科学意义和工程应用价值。本文使用通用有限元软件ANSYS,对顶张力立管在波浪、海流、浮体运动等作用下的顺流向动力响应进行了计算。基于软件计算结果,在MATLAB中对立管位移、应力、弯曲应力等数据作进一步分析,编制了雨流计数法程序,运用S-N曲线法和Palmgren—Miner线性累积疲劳损伤理论,对立管的疲劳损伤进行了研究。分析结果表明,立管固有频率随着顶张力的增大而增大,随着约束的增加而增大。在不同波高、相同周期的波浪作用下,立管激发的振型一致,波高越大,响应幅值越大,疲劳损伤越大；不同周期,相同波高的波浪作用下,立管激发的振型可能不同,波浪周期同立管自振周期较为接近时,响应幅值较大,疲劳损伤越大。波浪、海流共同作用时,立管在只有海流作用时的静平衡位置附近振动,立管顶部和底部附近的弯曲应力和疲劳损伤较大。浮体有静偏移时,底部附近的弯曲应力明显增大,疲劳损伤随之增大,但偏移大小对疲劳损伤影响不大；浮体水平运动将急剧增大底部附近的弯曲应力和疲劳损伤。适度增大顶张力,可以减小立管底部的弯曲应力和疲劳损伤。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-19
  1.1 选题的背景和意义  10-14
  1.2 国内外研究现状  14-17
    1.2.1 关于波浪和海流对立管的作用  14-16
    1.2.2 关于浮体运动对立管的作用  16-17
  1.3 本文的主要研究工作  17-19
2 立管的环境载荷及Morison方程  19-35
  2.1 Morison方程  19-22
  2.2 波浪  22-30
    2.2.1 线性波  22-25
    2.2.2 斯托克斯波  25-27
    2.2.3 椭圆余弦波  27
    2.2.4 流函数波  27-28
    2.2.5 波浪理论的选取  28-29
    2.2.6 波浪载荷  29-30
  2.3 海流  30-31
    2.3.1 海流  30-31
    2.3.2 海流载荷  31
  2.4 波浪和海流作用  31-32
  2.5 浮体运动作用  32-35
3 立管运动数学模型及动力响应分析  35-59
  3.1 立管运动微分方程  35-38
  3.2 ANSYS有限元模型  38-40
    3.2.1 ANSYS介绍  38
    3.2.2 PIPE59单元介绍  38-39
    3.2.3 立管实例建模  39-40
  3.3 动力特性分析  40-42
    3.3.1 顶张力对立管固有频率的影响  41
    3.3.2 约束形式对立管固有频率的影响  41-42
  3.4 动力响应分析  42-59
    3.4.1 波浪作用  42-51
    3.4.2 波浪和海流作用  51-54
    3.4.3 浮体运动作用  54-59
4 立管疲劳分析  59-71
  4.1 概述  59-60
  4.2 疲劳理论  60-63
    4.2.1 S—N曲线  60-61
    4.2.2 Palmgren-Miner线性累积疲劳损伤理论  61-62
    4.2.3 雨流计数法  62-63
  4.3 疲劳分析  63-71
    4.3.1 波浪作用  64-66
    4.3.2 波浪和海流作用  66-69
    4.3.3 浮体运动作用  69-71
5 结论与展望  71-73
  5.1 本文结论  71-72
  5.2 存在的问题及进一步研究的建议  72-73
参考文献  73-76
个人简历及攻读硕士期间的学术成果  76-77
致谢  77

顶张力立管顺流向动力响应及疲劳研究

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