考虑刚体转动的钢悬链线立管出平面运动分析

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展, 钢悬链线立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管。该文在钢悬链线立管动力学模型研究中提出一种新模型：SCR刚体转动模型, 该模型基于SCR悬垂段大曲率的考虑, 假定立管为绕悬挂点与触地点连线形成的转动轴的刚体转动系统, 并将该转动效应以惯性力和水动力阻尼的形式与立管弯曲振动耦合, 进行立管的出平面运动分析。数值模拟算例表明, 刚体转动效应对钢悬链线立管的动力响应具有较大影响, 为立管动力分析中不可忽略的运动分量。     

深水钢悬链线立管非线性有限元静力分析

基于大挠度柔性索理论,采用可曲线梁模型模拟钢悬链线立管,考虑触地点挠度的影响,对CABLE3D程序进行了二次开发.同时考虑浮式结构运动和钢悬链线立管与海底相互作用问题,分析了Spar平台静态偏移引起的钢悬链线立管静态位形、顶张力、触地点弯矩以及挠度影响下节点有效张力的变化趋势.分析表明:浮体运动将引起立管顶张力和触地点...     

基于整体分析的钢悬链线立管触地点动力响应分析

在立管动力平衡系统的力学模型中考虑浮式平台的惯性作用和管-土相互作用,研究在不同参数激励下钢悬链线立管触地点动力响应。基于大挠度柔性索理论,分别采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁、弹性地基梁模拟立管的悬垂段和流线段,考虑触地点处的大曲率,建立了立管的三维有限元模型,利用Galerkin方法对运动方程离散为一组非线性二阶常微分方程,运用Newmark-β法求解离散方程。通过在立管的动力方程中引入δ函数来体现浮式平台对立管的惯性和水动力影响,将悬链线立管与浮式平台作为一个整体进行动力分析,以工程中实际使用的1800m水深的钢悬链线立管为例,通过对立管顶部进行谐波激励,分别就水动力系数、管内流体密度和海床土体刚度对立管特征点动力分析的影响进行分析,研究表明：水动力系数的改变对立管触地点的动力响应的影响较为显著,主要体现在弯矩和张力幅值的增加;管内流体密度不同,触地点位置不同,表明立管在输送不同液体或气体可能发生疲劳破坏的位置也不同;而海床土刚度对立管触地点区域的弯曲应力影响较大,对轴向应力则影响不大,其结果对SCR设计具有重要的指导意义。     

深海钢悬链立管时域疲劳寿命预估研究

研究了钢悬链立管(SCR)时域非线性动力分析用于疲劳寿命预估。随着海洋工业不断往深海进发,过去十年内钢悬链立管成为众多油田开发的优选方案。然而,对于钢悬链立管设计而言疲劳是个关键难题。钢悬链立管的非线性动力特性显著,与频域方法相比,时域分析能够模拟非线性水动力载荷以及结构的非线性特性。本文数值模拟了海洋环境载荷作用下SCR的非线性结构动力响应,利用S-N曲线对立管进行整体疲劳寿命预估。对影响SCR疲劳寿命的各参数进行敏感度分析,输入的敏感度分析参数包括拖曳力系数、浮力因子、海床土体硬度等,研究表明疲劳寿命的预估结果与这些参数相关,所给出的结论便于设计人员更好理解钢悬链立管动力特性,选择合适的参数用于立管疲劳设计。     

深水钢悬链式立管与浮式平台整体分析方法研究

本文提出了钢悬链式立管与浮式平台整体分析模型，将SCR和浮式平台作为一个系统进行整体分析，基于Cable3D程序开发出整体分析程序，并分别采用耦合法和整体分析方法分析了浮式平台作用下的SCR的运动响应及SCR对平台运动的影响，研究表明，整体分析方法可以很好的反映结构之间的动力效应，立管系统对平台的运动的响应幅值有一定影响。     

剪切流下钢悬链线立管涡激振动响应研究

给出线性轴向张力下顶端张紧式立管忽略弯曲刚度时的固有频率和模态振型解析解,与Shear7给出的结果进行比较。结果表明:在低于20阶模态数时,两种方法得到的固有频率能很好地符合;在高于20阶模态数时,随模态数的增加,两种方法得到的固有频率结果差距也逐渐变大,因此弯曲刚度不能忽略。由悬链线方程将钢悬链线立管等效为顶端张紧立管,通过研究顶端张紧式立管的涡激振动响应来研究钢悬链线立管的涡激振动响应。研究发现钢悬链线立管的静态位移与转化之后的等效立管均方根位移组成了类似于锯条的形状。     

钢悬链线立管振动响应影响因素分析

海洋立管内部一般有高压的油或气通过,这将对立管的振动响应产生较大的影响。首先研究SCR管内流体的流速对结构固有频率的影响,结果表明：立管的固有频率随着管内流体流动速度的增加而降低,应在设计时予以足够重视。另外又分析悬链线立管张力随水深的变化规律,计算考虑变张力的立管固有频率,比较分析弯曲刚度对固有频率的影响。结果表明：弯曲刚度对前10阶频率影响不大。因此,在计算低模态的涡激振动时,可以忽略弯曲刚度的影响。     

钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

随着油气资源勘探和开发活动不断向深海发展,钢悬链式立管(SCRs)成为深海浮式生产系统油气输送的首选立管,涡激振动是钢悬链式立管设计的核心问题。本文运用柔性索理论,采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁模型模拟SCR,并根据本文提出的钢悬链式立管非锁定区考虑流固耦合的两向涡激振动模型,研究立管尤其是触地点处的涡激振动特性,算例表明,考虑流固耦合的两向涡激振动模型能够较好的模拟钢悬链式立管的涡激振动,可进行均匀流场中涡激振动的研究分析;钢悬链式立管触地点处的涡激振动响应较大且复杂,应作为SCR涡激振动研究的关键点。     

非线性管-土作用下钢悬链线立管触地区疲劳分析

基于P-y曲线建立非线性管-土相互作用模型,分别运用大挠度曲线梁和弹性地基梁单元模拟钢悬链线立管(Steel Catenary Riser, SCR)的悬垂段和流线段,研究周期运动下管-土相互作用响应和SCR触地区的疲劳分析。SCR具有复杂的非线性动态行为,特别是触地点区域,由于海床模型的不确定性,一直是数值模拟的难点。通过Fortran编写子程序嵌入CABLE3D,开发得到包括非线性管-土作用模型的新程序CABLE3D RSI,围绕SCR与海床相互作用响应和立管的整体动力分析等内容展开研究;根据时域内的动力响应,运用S-N曲线法得到触地点区域的疲劳损伤分布情况,研究有关参数对疲劳损伤的影响。结果表明:1) 周期载荷作用下,立管在海床上形成的沟槽逐渐发展,相比于线弹性和刚性海床非线性海床分布力更加符合工程实际;2) 海床刚度模型、土剪切强度以及吸力因子都对立管触地区的疲劳损伤具有重要影响。     

钢悬链线输流立管顶部浮体激励非线性响应研究

钢悬链线立管在上部附体激励作用下的动力响应在立管的性能化设计中是非常重要的。本文作者考虑钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型。将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应。探讨了弯曲刚度的存在、内流流动和外部流体的非线性作用力对立管受浮体激励顺流向动力响应的影响。     

基于非线性海床刚度模型的钢悬链线立管动力响应分析

基于P-y曲线模拟钢悬链线立管(SCR)-海床相互作用的力学行为,运用弹性地基梁模拟SCR流线段,研究海床刚度模型对SCR动力响应的影响。立管与海床的相互作用取决于土刚度、立管特性和沟槽的发展等诸多因素。现在的方法大多是将海床模拟为线性或非线性弹簧系统,而没有考虑土的塑性变形和吸力效应。运用P-y曲线模拟管-土相互作用过程,内容包括:①在浮体升沉运动和波浪载荷作用下,得到了管-土作用的荷载位移曲线、贯入深度和海床分布力的变化情况;②分析立管触地点的位移、弯矩、应力等动力响应特征,与线弹性海床模型进行了比较。研究表明,非线性海床土刚度模型较为准确地模拟了土的塑性变形和约束力对立管触地区动力响应的影响,弹性地基梁单元较好地模拟了立管的流线段,荷载位移曲线也体现了土吸力的产生和释放过程。     

基于空气潜水的浅水立管安装新工艺

立管是连接海底管道和海洋平台组块管线的重要管段,立管安装是海洋管道安装工程的关键环节。常规立管安装方案是通常利用浮吊船起吊立管,配合平台绞车扶正立管,潜水员下水完成立管固定。该文阐述了一种采用平台吊机和绞车将立管短节分段吊装、扶正,固定在导管架上;然后将立管短节焊接组对为一整根立管;最后将整根立管下放入水,由潜水员下水完成立管固定。该安装工艺无需使用浮吊船即可完成浅水立管安装,具有较高的经济效应。     

柔性立管线型分析与铺设要点研究

柔性立管是连接浮式设备和水下设施的桥梁,用于输送液体和气体,具有非常关键的作用。随着深水油气开发的进行,越来越多的柔性立管被应用。本文对柔性立管线型进行系统分析,并研究线型参数对其影响,另外针对陡波型柔性立管铺设要点进行相关论述。本文既能为柔性立管选型与设计提供参考,也能为其铺设提供借鉴。     

浮体垂荡激励下深海悬链线立管触地端动力响应及沟槽发展研究EI北大核心CSCD

基于Randolph-Quiggin非线性管土作用模型,借助ABAQUS Subroutine功能中的User Defined Element(UEL)拓展模块创建钢悬链线立管触地单元,研究了顶端垂荡激励下立管触地段动力响应特性。通过与模型试验结果比较分析,验证了开发的数值分析模型的合理性,并讨论了其相较传统线性管土作用模型体现出的优势。开展参数敏感性分析,深入探讨了立管顶端垂荡幅值及周期对沟槽形状、立管位移及弯矩响应等的影响效应。     

跨接管安装技术研究进展

随着我国海洋油气开发走向南海深水,深水跨接管作为水下采油树、管道终端管汇(PLEM)、管道终端(PLET)及输油管线间的连接管段,其安装技术尤为重要。通过对跨接管类型、跨接管连接方式、跨接管连接器类型的研究,分析总结了跨接管安装所需设备资源,对形成适合我国深水油气开发的深水跨接管安装技术,满足我国南海深水油气田开发的需要具有一定的指导意义。     

钢悬链式立管与海床相互作用模拟方法研究

基于大挠度曲线梁模型和弹性地基梁理论,研究了钢悬链式立管与海底相互作用的模拟方法。采用大挠度曲线梁模拟钢悬链式立管的悬垂段,采用弹性地基梁模拟海底流线段。钢悬链式立管与海底相互作用模型不仅考虑了弹性支撑反力和摩擦力,还考虑了动态效应的阻尼力和液化土的吸力。分析表明,采用大挠度曲线梁和弹性地基梁模型分析钢悬链式立管,其单元尺寸的影响较小,可采用较大的计算单元,从而缩短计算时间、减少内存。基于该方法的开发程序与商用程序OrcaFlex吻合较好,但对单元长度的敏感性远远小于OrcaFlex。     

带刚臂的两节点精确悬链线索元的非线性分析

为解决应用悬链线索元时锚固点的刚性连接问题,在应用悬链线基本方程导出的两节点悬链线索元的切线刚度矩阵基础上,推导出两端带任意刚臂的两节点精确悬链线索元的切线刚度矩阵显式表达式,并且分析了考虑索元初次张拉和成形使用两种条件下切线刚度矩阵的迭代求解技术。分析和算例表明,应用两端带任意刚臂的两节点精确悬链线索元可以很好地解决前述问题,且其有限元分析格式与不带刚臂的悬链线索元完全一致,而且当索元不带刚臂时该切线刚度矩阵可自动转化为相应的刚度矩阵,实用价值较强。     

基于悬链线理论的海带打结原理研究

机械化海带打结是当今未解决的技术难题,目前研制的海带打结机难以达到产业化要求的99%的打结成功率. 为了研究海带打结机的海带成结原理并提高海带打结成功率,利用悬链线理论对海带打结过程进行了分析. 建立了海带线的悬链线数学模型,提出了端点等高、端点不等高和受到端点外其他约束等各种悬链线方程的解法,分析了海带线打结过程中4个不同阶段所处的状态,通过将海带线在4种状态下的空间曲线向指定平面投影的方法研究了打结原理,结果表明海带线符合扭转打结法的条件,证明了此种海带打结方法的正确性和可行性,为提高海带打结机打结成功率提供了理论上的指导.     

悬链线斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载

基于能量分析方法,推导了主拱肋和稳定拱肋拱轴线为悬链线的斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载计算公式,并通过与有限元数值计算结果比较,证明了该计算公式的正确性,进一步验证了所提出的拱肋系侧倾失稳时横撑切向和径向力学模型的适用性,并将拱轴线为悬链线和圆弧曲线的斜靠式拱肋系的侧倾失稳临界荷载进行了比对分析,阐明了圆弧曲线代替悬链线斜靠式拱肋系侧倾失稳临界荷载的适用条件。研究结果表明：拱轴线的线型对斜靠式拱肋系的侧倾失稳临界荷载有一定的影响;当稳定拱肋倾角较小时,悬链线拱肋系的侧倾失稳临界荷载与圆弧曲线拱肋系的差异不超过5%;当矢跨比较小时,圆弧曲线拱肋系代替悬链线拱肋系的侧倾失稳临界荷载产生的误差在10%以下,但矢跨比较大时,二者的差异较大,不可等同。     

基于悬链线纳米粒子超构表面的线偏振光SPPs定向激发

表面等离激元(Surface plasmon polaritons, SPPs)定向激发是片上集成光子系统研发的基础,利用悬链线超构表面来实现SPPs的定向激发调控是近年来的热点和前沿领域,但现有研究多针对圆偏振光,线偏振光SPPs的定向激发相对较少。本文设计了一个基于悬链线纳米粒子的超构表面来实现线偏振光SPPs定向激发。采用时域有限差分法计算了x偏振光入射下的光谱消光比曲线和电场分布,根据多级散射理论和惠更斯-菲涅尔原理解释了定向激发的物理机制。仿真结果显示,悬链线纳米粒子超构表面对线偏振SPPs的定向调控是有效的,峰值消光比可达27 dB(对应入射波长820 nm),10 dB以上带宽约为47 nm (798 nm～845 nm),该结果有助于悬链线多功能器件的研究与开发。