粘结性柔性管的截面设计与力学性能分析

作     者：艾龙 

作者单位：海南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈义俊

授予年度：2023年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：纤维增强柔性管 有限元分析 截面设计 强度校核 力学性能分析 

摘      要：近年来,随着科技水平的发展与提升,世界能源消耗越来越大。因此,各国都将目光放在了海洋油气资源的开发与采集上。在海洋油气开采中,运输管道是油气开采系统的关键部件。纤维增强柔性管因其柔韧性好、耐腐蚀、高强度、安装维护方便、寿命长等优点已成为未来海洋油气发展方向的热点。由于海洋环境复杂,存在各种各样的荷载,管道在海洋中的运营存在着诸多挑战,故而需要对管道的截面结构进行设计并进行力学性能的分析。作为最近兴起的一种复合管道,对它的分析研究相对较少,且对海洋复杂荷载的复现非常困难,对不同结构的柔性管道进行实验研究性价比较低。故而,本文采用理论分析方法建立了玻纤增强柔性管的模型,并结合有限元的分析方法对玻纤增强柔性管的截面结构和力学性能进行分析,主要包含以下几个方面:(1)介绍了纤维增强柔性管道各个结构层的材料选择原则及制造工艺,对玻纤增强柔性管增强层纤维带的模型进行了简化,建立了整个管道的理论模型,分析了管道各层的应力应变计算方法。(2)建立了玻纤增强柔性管的有限元模型。利用ABAQUS软件的Composite Layups模块对管道增强层进行了详细的设计,在验证了模型的准确性后,通过拉伸、压缩、内压、拉伸和弯曲四种工况柔性管增强层不同缠绕角度下的力学性能分析确定了柔性管增强层纤维带的最优缠绕角度区间为±45°～±55°。(3)对建立的有限元模型进行了具体服役环境下的工况校核,具体包括内压荷载、拉伸荷载、外压荷载、外压和拉伸组合荷载、爆破荷载五种工况下玻纤增强柔性管结构的强度校核,结果显示所设计管道结构满足要求;确定柔性管增强层满足设计要求的最少缠绕层数;确定了有内压作用和无内压作用下柔性管的最小弯曲半径。(4)对玻纤增强柔性管的扭转力学性能进行了计算分析,包括纯扭荷载、拉伸扭转组合荷载、内压扭转组合荷载下玻纤增强柔性管的力学响应分析,并对管道的抗径向屈曲性能进行了分析,研究了管道长度对柔性管抗径向屈曲性能的能力的影响。