超深水S型铺管的局部变形分析

为了研究超深水S型海底管道铺设时管道截面的局部变形及应力分布,以"海洋石油201"铺管船为例,首先建立"铺管船-托管架-管道-海底"的整体铺管模型,计算托辊支撑处管道承受的荷载组合:弯矩、轴力、剪力和托辊反力。再建立"托辊-管道"相互作用的局部精细有限元模型,计算了上弯段管道截面的局部变形和应力分布。研究结果可为超深水大口径S型铺管船的极限铺设能力分析提供参考。     

海管S型初始铺设仿真算法

为准确模拟初始铺管作业中管道和起始缆的形态,创建一个逼真的深水铺管起重船铺管作业虚拟训练环境.针对S型铺管作业中的初始铺管作业,以Euler-Bernoulli梁理论为基础,对初始铺管管道和缆索进行静态分析,建立几何非线性微分方程,且对管道与缆索微分方程边界条件难以确定导致方程无法求解的问题,提出一种基于微分求积法的迭代方法,该方法能够准确地实现边界条件的确立,从而完成微分方程的求解.仿真和实验分析不同作业状态下管道与缆索的形态与内力变化,结果证明了初始铺管整体算法的准确性.该方法提高了微分方程求解精度且计算量少,易于程序实现,可用于海上铺管作业方案的工程预演,可行性分析和优化作业方案等.     

S型初始铺管缆索和管道耦合系统仿真分析

为构建实时动态的深水铺管作业视景仿真系统,本文以"海洋石油201"铺管船为研究对象,考虑船舶运动、波浪载荷、海流载荷以及动力定位等对管线和初始缆的动态影响,建立了管道和缆索动态的微分方程组。利用梁理论,对管道振动特性进行分析,建立了管道振动方程。基于微分求积法确定微分方程组边界条件,利用显式差分法迭代获得振动方程数值解。通过仿真实验分析了不同海况、工况下管道的形态以及管道关键位置的作用力;对管道和缆索耦合系统进行分析,并构建了实时计算的初始铺管仿真系统的动态模型。研究结果表明:海况由2 m浪高增加到4 m浪高时,管线最大张力增大了4.55 k N,管道脱离点横向位移增大了41%;海况和船舶运动幅度增大,会加剧管线的振动幅度和持续距离。将仿真结果与商业软件进行对比,误差率保持在4%以内,满足仿真系统的准确性要求。     

深水钢悬链立管铺设安装作业窗口分析

钢悬链立管J型铺设作业窗口是为了确定其正常铺管的环境条件,找到正常铺管和弃管作业的界限。本文以API RP 2RD立管规范许用应力法和semi-submersible半潜式铺管船的张紧能力为作业窗口综合校核准则,使用ORCAFLEX软件建立钢悬链立管J型铺设有限元模型,分析铺设过程中浪流相对方向、不同波浪方向下波高-周期、波浪-海流条件下的立管强度和产生的最大有效张力,以此确定钢悬链立管J型铺设作业窗口。结果表明,浪流同向时作业窗口最小;当海流大小一定且与波浪同向,波浪方向为180°,波浪周期在铺管船固有周期附近时作业窗口最小;铺设作业系统对于波浪的敏感性更强。同时,分析了J型铺设作业窗口的影响因素,除波浪、海流的影响外,铺管船和立管的特性也对作业窗口作用明显。在铺设系统设计以及铺管作业时,环境载荷、铺管船、和立管结构等方面是决定铺管作业窗口的核心因素。     

深水柔性管道铺设过程管道动态张力研究

深水柔性管道在铺设过程中会受到诸多因素的影响,而管道的动态张力将直接影响着其铺设装备的设计以及实际的铺设过程。本文建立了一种考虑了铺管船运动、波浪载荷、流载荷、风载荷以及柔性管道的耦合模型。基于上述模型,采用自然悬链线理论结合莫里森方程确定了柔性管道的初始形态,应用有限元软件AQWA对"海洋工程201"进行了水动力分析确定了船舶的动态响应,在特定海况下应用Orcaflex软件,对25.4 cm的柔性管道在3 000 m水深条件下的铺设过程进行了分析,研究了柔性管道在铺设过程中动态张力的变化,以及软管铺设过程中铺设角度、铺设水深、波浪角度、有义波高以及谱峰周期对管道动态张力的影响。结果表明:海洋环境载荷、船舶运动、铺设条件等因素与管道动态张力之间存在很强的关联性,管道的最大轴向拉力相比于静态张力增大了42.7%。     

钢悬链线立管舷侧安装过程动力学仿真及耦合分析

钢悬链线立管是目前最主要的深水油气开发立管形式之一,在钢悬链线立管的安装过程中,钢悬链线立管极有可能发生大变形导致其拉力与弯矩过大造成管道屈曲变形甚至安装缆绳断裂破坏。本文以陵水17-2工程中钢悬链线立管舷侧安装作业为依托,基于船舶时域运动学理论与有限元法,建立了船舶-钢悬链线立管-安装缆绳动力学模型。首先分析了5个安装阶段时的钢悬链线立管与安装缆绳的静拉力与弯矩情况,其次针对设计海况,在考虑船舶、钢悬链线立管与安装缆绳耦合作用时,对船舶运动与钢悬链线立管的受力与弯矩进行了计算。研究结果表明:在安装过程中钢悬链线立管的拉力与弯矩受船舶运动影响较大,此次研究的耦合动力学模型可以为钢悬链线立管的安装作业设计及施工风险分析提供一定的参考。     

滑坡作用下输气管道受力分析

以川气东送管道铺设中的管道横穿罗针田滑坡工程为背景,建立管道横穿滑坡情况下的力学模型,并采用静力学解析计算的方法对管道变形、受力状态进行分析研究,获得了滑坡位移、推力与管体的响应特征,如应变或应力的关系,从而为地质灾害安全风险评价及预警提供定量的评价指标。结果表明：该管道横穿滑坡段暂时处于安全状态;管道变形分布曲线呈现正态分布规律,滑坡体正中管道部位变形最大,向两端变形逐渐减小;管道弯矩分布符合两端固定简支梁承受均布荷载弯矩形态,两端应力最大,呈现中部正弯两端负弯态势,管道两端最易发生破坏;研究成果可为类似输油气管道穿越滑坡地质灾害的破坏预警提供理论参考。     

实时桥梁缆索健康监测系统硬件设计

针对一种以16/32位ARM处理器为核心的用于桥梁缆索张力的实时监测系统的主控制器部分硬件设计过程进行了介绍.通过高功能、低功耗的LPC2138,12位4通道的A/D转换MAX1247和GPRS模块M23G,实现了桥梁缆索监测系统数据采集与发送的硬件设计和检测.经测试,本系统在实验室阶段最高采样速率为62.5 KB,实际GPRS网络传输速率为40 KB左右,完全满足缆索张力监测要求.最高频率为10 KB.     

基于接触的销钉孔塑性变形分析

利用ANSYS的面面接触单元,模拟了某项目事故发生时销钉与销钉孔之间的受力,采用逐步逼近和插值方法求解了销钉所受力的大小.该方法是通过分步计算销钉孔的两个塑性区变形量的大小,然后利用销钉受力平衡推算出了销钉上所受的力和弯矩大小.结果表明,该计算方法能够较为精确地计算出销钉所受剪切力和弯矩,并减小了接触计算时的收敛难度,对该类项目的事故分析具有指导意义.     

高静水压力作用下深海油气管道的局部屈曲

以有初始缺陷的厚壁钢管为研究对象,开展外部高静水压力作用下管道结构的模型试验和有限元数值模拟分析. 通过在压力缸内泵入水的方式对钢管试件施加均匀外部压力,测得钢管发生局部屈曲时的压力峰值. 基于ABAQUS软件,数值模拟分析试验钢管在静水压力作用下的屈曲和后屈曲行为,得到钢管的失稳压力和屈曲后的形态,与试验结果相比吻合较好. 利用建立的数值模拟方法,分析不同材料性能、径厚比和初始椭圆率对钢质管道屈曲的影响. 结果表明：材料硬化系数较大的管道,失稳压力较大;随着初始椭圆率的增加,管道的失稳压力显著减小;对于深水或超深水油气管道的屈曲失稳压力,国外规范的计算公式偏保守,而且不能解释不同材料硬化系数的影响.     

管道机器人电缆恒张力控制系统的研究

为保证管道机器人能在管道内顺利地自由移动,对以AVR单片机为核心的电缆恒张力控制系统进行了研究,实现系统自动收放线功能。该控制系统包括硬件系统设计和软件系统开发两方面。其中硬件系统包括作为上位机的主控箱、作为下位机的绞盘和爬行器3个主要功能模块。软件系统开发基于一主二从的通讯模式,实现了基于AVR单片机的下位机与上位机的串行通信、绞盘电动机的恒转矩输出,从而保证爬行器运行时绞盘电缆一直处于恒张力状态。实验表明,该方法性能稳定可靠,控制精度高,有较大的推广应用价值。     

弯矩作用下玻璃钢内衬再生复合管稳定性能分析

为研究弯矩作用下玻璃钢内衬再生复合管的稳定性能,采用有限元分析软件,基于层间双线性本构关系,建立玻璃钢内衬再生复合管有限元模型,分析外管腐蚀程度和内衬层厚度对玻璃钢内衬复合管稳定性能的影响,得到复合管受弯作用的应力云图并提取弯矩-管道中心点位移曲线。结果表明:外管壁与玻璃钢内衬层之间的层间作用力在一定程度上限制了管道变形的快速发展,提高了复合管的极限弯矩与因屈曲导致管道失稳破坏前的抗变形能力。带腐蚀坑的复合管道的变形与应力主要集中在腐蚀坑最深处周围,随着腐蚀深度的增加,弯矩极值逐渐降低。     

基于钢束优化配置的PC梁桥长期变形控制

针对大跨度预应力混凝土箱梁桥普遍出现的长期变形过大的问题,通过对预应力钢束配置进行优化,降低最大悬臂施工阶段的初始位移,进而减小过大的长期变形,达到挠度控制的目的.构建单位预应力的挠度矩阵,以挠度为控制目标,利用ANSYS进行钢束优化求解得到钢束最优配置.结果表明,优化设计后的挠度较恒载零弯矩法减小40%.利用ANSYS进行钢束优化设计的方法对预应力混凝土箱梁桥的长期变形控制具有良好的效果.     

贴壁双海底管道绕流研究

针对单向水流作用下双海底管道绕流问题,基于N-S方程和标准k-ε紊流模型,对2管间距在1D < Ls < 10D情况下的双海底管道绕流时均水动力场进行计算模拟,得到不同断面的流速分布, 与试验结果比较接近;应用模拟手段分析间隔内涡旋特征随间隔比的变化规律,并对各管两端压差随间隔变化规律进行探讨,发现在10D范围内, 上游管压差远大于下游管压差,上游管更易于冲刷和悬空。     

(第六届水利岩土学术讨论会推荐稿)水平受荷大尺寸钢管桩离心数值试验研究

大尺寸钢管桩是近海风电场建设中最常用的单桩基础之一。基于水平受荷钢管桩离心物理试验成果,以三维有限差分方法为技术手段开展离心数值试验,深入揭示桩-土相互作用关系。研究结果表明：水平受荷下钢管桩侧向变形显著受控于土层弹性模量,通过对计算参数的反演,在验证各级水平荷载条件下离心数值试验桩顶变形、桩身挠度及弯矩分布等与离心物理试验基本吻合的前提下,提取水平受荷条件下钢管桩不同埋深截面区间的荷载-位移（p-y）关系,对不同层位地基土所提供的水平抗力及其分布规律有了系统认识。物理试验和数值试验相结合的研究方法有效克服了物理试验中监测数据有限、监测工具布设困难等缺点;同时,本研究中基于数值试验获取水平受荷桩p-y曲线关系的方法具有普遍适用性,可供实际工程中桩基水平承载力设计参考。     

大跨径钢箱梁斜拉桥合理成桥索力的优化

依据影响矩阵调值原理,提出以结构整体弯矩最小为目标,关键节点的位移为约束条件的斜拉桥索力优化方法. 首先应用Midas/Civil 中“未知荷载系数”功能计算满足特定约束条件的最佳荷载系数, 并求出拉索初拉力. 然后将系数矩阵与弯矩信息导入Excel中,定义目标函数与约束条件,求出初步优化索力,最后将所得初步索力重新代入Midas/Civil模型中,进行局部微调得最终优化索力. 将此方法用于某斜拉桥方案分析,结果表明,优化前后,主梁弯矩减小36%,主塔弯矩减小70%,主梁竖向最大位移减小51%,主塔水平最大位移减小74%,且索力分布均匀,线形更为平顺.     

砂石垫层上混凝土管道管底弯矩系数的测定

本文采用光弹性方法对置于不同包角的砂石垫层上的混凝土管道内边界的应力分布进行了测定，并由推导出的利用管道底部内边界应力值确定管道弯矩系数的近似公式，对管道底部截面的弯矩系数进行了计算，为混凝土管道的铺设和施工提供了重要的设计参考依据。     

模糊PID在管道机器人电缆恒张力控制中的应用

针对管道机器人电缆的恒张力控制,在采用常规的PID控制器的基础上,利用模糊PID控制算法,实现PID控制参数的自动调整。利用Matlab软件对模糊PID控制系统在阶跃信号下的响应进行仿真。实验结果表明,控制系统在一个固定的张力值下,电机的电流值保持恒定,即电机转矩恒定,可以保证电缆的恒张力控制。模糊PID控制算法具有动态响应快,稳态精度高等优点,能够达到系统控制要求。     

波流作用下海床稳定性和海底管道局部冲刷分析

针对深水油气开采中的海底管道安全铺设与运营问题,总结和归纳了可用于海床稳定性分析及管道周围局部冲刷预测的方法,并推导了水流作用下平衡冲深和悬跨长度间的关系式.在此基础上,利用Fortran和Visual Basic混合编程技术开发了专用分析程序.结合我国南海某工程海域的实际工程问题,对水流、波浪和波流共同作用下的天然底床稳定性进行了分析,同时给出了管道铺设以后,其局部冲刷的垂向极限平衡深度、横向扩展速率以及初级和次级横向扩展的转折点时刻等.结果表明：水流因素对深水区的底床稳定性起主要决定作用;同时若底床泥沙颗粒粒径越小,则其所起的黏性作用就越大,管道冲刷扩展速度越小.该分析结果为实际海底管道路由设计及工程施工方案的制定提供了技术依据.