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基于惯性耦合的深水钢悬链线立管非线性分析方法研究

作　者: 白兴兰
导　师: 黄维平
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 钢悬链线立管惯性耦合整体分析海床土吸力立管与海床的相互作用
分类号: U171
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 8次
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内容摘要

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,涌现出了多种新型浮式结构系统以适应深海恶劣的环境载荷并较大程度地降低成本。钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)成为了深海浮式生产系统油气输送的首选立管形式,在一定程度上克服了传统的柔性立管和顶张力立管(Top Tension Riser, TTR)在更深海域应用的局限性,被认为是深水立管系统成本有效的解决方案。由于受浮式平台运动以及深海水动力载荷的共同作用,相比于海底管线,钢悬链线立管的动力响应更加复杂。因此,对钢悬链线立管进行动态响应分析及非线性分析方法研究具有重要的科学意义和广泛的应用价值。本文介绍了锚缆动力分析程序CABLE3D,是2002年由美国A&M大学的Chen等人开发的三维非线性有限元分析程序。该程序可以求解两类结构的静力和动力问题,一种是无抗弯刚度且允许有较大拉伸的杆结构,另一种是有抗弯刚度且允许有较小拉伸的梁结构。基于程序CABLE3D,本文运用大挠度柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模拟钢悬链线立管,触地点随着SCR的运动而变化,并且考虑了触地点处立管曲率的影响,同时解决了采用直梁模型模拟时单元长度受限的问题。大挠度细长梁模型模拟钢悬链线立管,对研究立管与海床的相互作用以及疲劳分析有重要作用。基于锚链/立管系统分析程序CABLE3D,提出了基于惯性耦合的深水钢悬链线立管与Spar平台的整体分析法,并开发出整体分析程序V-CABLE3D,这是本文的重要创新点之一。该方法是将SCR与Spar看作一个整体系统,Spar作为刚体,顶端边界条件是系泊系统/TTR的弹性位移约束和Spar平台的激励力约束,SCR的底端法向约束采用弹簧系统或弹簧阻尼系统模拟。由于Spar平台的几何对称性,将其简化为3自由度浮动圆柱体,其波浪激励力仅考虑了一阶绕射作用,运用绕射理论求解纵荡力、垂荡力和纵摇力矩。分别运用CABLE3D和V-CABLE3D程序对SCR进行动力分析,结果表明,基于惯性耦合SCR与Spar平台整体系统分析法能够较好地反映结构之间的动力效应,特别是平台惯性力对SCR动态响应的影响很大,因此不能忽略。本文还详细介绍了立管与海床法向相互作用模型在钢悬链线立管分析中的应用现状,主要包括立管向着海床运动时海床刚度的影响和立管拔出海底时的吸力作用。根据STRIDE围绕SCR与海床相互作用的二维模型试验,2001年Willis数值模拟得到了准确的二维吸力模型。基于该吸力模型,在海床的法向分布力中考虑吸力,进一步改进CABLE3D和V-CABLE3D程序,并分别应用改进的程序对钢悬链线立管进行动力分析,给出动态响应的时程曲线和FFT幅值谱。计算结果表明,立管拔出海底时的吸力作用将会引起立管动态响应时程曲线的小幅度高频振荡,增大了立管的极限应力。本文通过对新型深水钢悬链线立管国内外研究方法的分析,提出了一些新的见解和方法,为深水立管的设计和非线性分析提供理论依据,同时对钢悬链线立管在我国深海领域的应用具有一定的指导意义和参考价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-36
  1.1 研究背景  12-16
    1.1.1 海洋资源的开发和我国现状  12-13
    1.1.2 海洋平台和立管  13-15
    1.1.3 浮式平台系统耦合分析  15-16
    1.1.4 课题来源  16
  1.2 研究的目的意义  16-19
    1.2.1 研究目的  17
    1.2.2 研究的理论意义  17-18
    1.2.3 研究的实际意义  18-19
  1.3 研究方法  19-20
  1.4 国内外研究现状  20-32
    1.4.1 钢悬链线立管的国内外研究现状  20-26
    1.4.2 Spar 平台的研究现状  26-30
    1.4.3 柔性构件的传统力学模型  30-32
  1.5 本文研究思路及主要内容  32-34
    1.5.1 研究思路  32-33
    1.5.2 本文主要研究内容  33-34
  1.6 本文主要创新点  34
  1.7 本章小结  34-36
2 钢悬链线立管及SPAR 平台系统的数学模型  36-86
  2.1 SCR 的结构特点  36-39
  2.2 SCR 的关键技术  39-42
    2.2.1 浮体运动的影响  39
    2.2.2 与海底相互作用  39-41
    2.2.3 疲劳损伤与寿命预测  41-42
  2.3 波浪载荷计算方法及线性波浪理论  42-49
    2.3.1 Morison 方程求解直立柱体顺流向波浪力  42-44
    2.3.2 Morison 方程求解倾斜柱体上的波浪力  44-46
    2.3.3 线性波浪理论（Airy 波理论）  46-49
  2.4 SCR 的大挠度细长梁数学模型  49-59
    2.4.1 SCR 的控制方程  49-51
    2.4.2 SCR 的荷载条件  51-52
    2.4.3 数值解法  52-59
  2.5 SPAR平台的运动方程  59-63
    2.5.1 Spar 平台的结构模型  59-61
    2.5.2 Spar 平台纵荡-垂荡-纵摇运动的控制方程  61-63
  2.6 SPAR平台系泊系统的分析计算  63-74
    2.6.1 准静态法计算系泊缆刚度  64-69
    2.6.2 非线性有限元法计算锚链的非线性刚度  69-74
  2.7 SPAR平台本体的一阶波浪载荷计算  74-85
    2.7.1 Morison 方程计算Spar 的线性波浪力  74-75
    2.7.2 绕射理论计算Spar 平台本体的线性波浪载荷  75-85
  2.8 本章小结  85-86
3 基于惯性耦合的SCR 与SPAR 平台系统整体分析  86-128
  3.1 SCR 与SPAR平台的整体分析  86-103
    3.1.1 钢悬链线立管分析程序CABLE3D  87-88
    3.1.2 SCR-Spar 平台系统的整体分析方程  88-90
    3.1.3 程序实现  90-103
  3.2 SPAR平台与柔性构件的运动耦合分析  103-111
    3.2.1 边界条件  103-105
    3.2.2 数值求解  105-111
  3.3 算例分析  111-126
    3.3.1 初始分析资料  111-112
    3.3.2 静力分析  112-115
    3.3.3 动力分析  115-126
  3.4 本章小结  126-128
4 海床土吸力对SCR 动力响应的影响  128-158
  4.1 SCR 与海床土的相互作用机理  128-133
    4.1.1 SCR 与海床土的相互作用  129-131
    4.1.2 海床土的吸力模型  131-133
  4.2 程序实现  133-135
  4.3 算例分析  135-156
    4.3.1 运动耦合分析（CABLE3D 程序）  135-145
    4.3.2 整体分析法（V-CABLE3D）  145-156
  4.4 本章小结  156-158
5 结论及展望  158-163
  5.1 研究结论  158-160
  5.2 研究展望  160-163
参考文献  163-170
附录  170-174
致谢  174-175
个人简历  175
攻读博士期间撰写论文  175

基于惯性耦合的深水钢悬链线立管非线性分析方法研究

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