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随着海洋油气开采逐渐向深海、超深海发展,海底油气管道的工作温度和压强大幅增加,深海管道的整体屈曲问题日益突出。同时,一般的单层管道已经不能满足日益苛刻的深海工作条件,管中管、复合管道等多层管道逐渐成为了深海油气管道的首选,它们的整体屈曲现象却更加复杂。在整体屈曲控制方面,深海油气管道的控制方法也逐渐由埋置等被动控制方法向蛇形铺设法、枕木法等主动激发方法过度。这些新的趋势都为海底管道的整体屈曲分析和控制带来了新的课题和挑战。本文围绕上述问题,采用理论分析、数值模拟以及试验分析相结合的分析方法,配合优化算法,开展了系统深入的分析研究,取得了一些具有科学意义和工程价值的研究成果:
建立了管中管结构弯曲数值模型,利用已有试验数据验证了模型的准确性;分析了影响管中管结构抗弯刚度的主要因素;得到了管中管结构的弯曲破坏机理;提出了管中管结构等效抗弯刚度的估算公式,为管中管管道整体屈曲的简化分析方法奠定了基础;
建立了单层管道整体屈曲动力分析模型,着重分析了管道竖向屈曲的动力效应;提出了考虑几何非线性的带有正弦初始缺陷单层管道侧向屈曲临界力计算公式,完善了单层管道整体屈曲计算理论;建立了管中管管道(PIP)和复合管道(SP)整体屈曲数值模型,并通过试验数据验证了模型的准确性,分析了影响多层管道整体屈曲临界轴向力以及后屈曲响应的主要因素,基于量纲分析和数值模拟计算结果,提出了含缺陷的多层管道(PIP和SP)侧向和竖向屈曲临界力计算公式,完善了多层管道整体屈曲计算理论;设计并进行了PIP管道侧向整体屈曲缩尺模型试验,进一步研究了其侧向屈曲机理,验证了建立的数值模型的可靠性。
建立了蛇形铺设管道以及枕木-蛇形铺设管道整体屈曲数值模型,分析了铺设形状、枕木性质以及海床特性等对管道主动激发整体屈曲的影响;利用遗传算法,给出了蛇形铺设管道最优化铺设形态,大幅降低了临界屈曲力,提高了该方法的成功率;利用基因表达编程,提出了枕木法和蛇形铺设整体屈曲控制方法临界屈曲力以及屈曲位移计算公式,为该类方法实施和设计奠定了基础。
建立了管中管结构弯曲数值模型,利用已有试验数据验证了模型的准确性;分析了影响管中管结构抗弯刚度的主要因素;得到了管中管结构的弯曲破坏机理;提出了管中管结构等效抗弯刚度的估算公式,为管中管管道整体屈曲的简化分析方法奠定了基础;
建立了单层管道整体屈曲动力分析模型,着重分析了管道竖向屈曲的动力效应;提出了考虑几何非线性的带有正弦初始缺陷单层管道侧向屈曲临界力计算公式,完善了单层管道整体屈曲计算理论;建立了管中管管道(PIP)和复合管道(SP)整体屈曲数值模型,并通过试验数据验证了模型的准确性,分析了影响多层管道整体屈曲临界轴向力以及后屈曲响应的主要因素,基于量纲分析和数值模拟计算结果,提出了含缺陷的多层管道(PIP和SP)侧向和竖向屈曲临界力计算公式,完善了多层管道整体屈曲计算理论;设计并进行了PIP管道侧向整体屈曲缩尺模型试验,进一步研究了其侧向屈曲机理,验证了建立的数值模型的可靠性。
建立了蛇形铺设管道以及枕木-蛇形铺设管道整体屈曲数值模型,分析了铺设形状、枕木性质以及海床特性等对管道主动激发整体屈曲的影响;利用遗传算法,给出了蛇形铺设管道最优化铺设形态,大幅降低了临界屈曲力,提高了该方法的成功率;利用基因表达编程,提出了枕木法和蛇形铺设整体屈曲控制方法临界屈曲力以及屈曲位移计算公式,为该类方法实施和设计奠定了基础。