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海洋柔性管缆整体线型静态快速设计方法

哈尔滨工程大学学报 2023年第9期44卷 1622-1630页

作者：樊耀华杨志勋王刚阎军史冬岩乐奇曹鹏哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001 大连交通大学土木工程学院辽宁大连116028 大连理工大学工程力学系辽宁大连116023

为了提高海洋柔性管缆线型设计效率,本文旨在探索一种考虑截面刚度的整体线型静态快速设计方法。柔性管缆服役之前需要进行线型设计,首先需要进行静态设计,分析柔性管缆在各位置下的形态及受力。针对海洋柔性管缆截面刚度进行整体线型... 详细信息

为了提高海洋柔性管缆线型设计效率,本文旨在探索一种考虑截面刚度的整体线型静态快速设计方法。柔性管缆服役之前需要进行线型设计,首先需要进行静态设计,分析柔性管缆在各位置下的形态及受力。针对海洋柔性管缆截面刚度进行整体线型静态快速设计,并对比不同水深条件下弯曲刚度对线型静态设计灵敏性的影响,分析结果表明:浅水线型静态设计时应当考虑柔性管缆弯曲刚度的影响,深水线型静态设计时可忽略弯曲刚度。水深为30 m时,与线性弯曲刚度算法计算结果相比,忽略弯曲刚度算法计算结果对悬链线型静态设计最大曲率的估计误差为52.7%,对缓波线型静态设计最大曲率的估计误差为21.1%。本文为海洋柔性管缆线型静态设计提供理论依据,对实际工程线型设计方法选择具有一定的指导意义。

关键词：柔性管缆整体线型弯曲刚度快速设计参数灵敏度曲率静态设计截面

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基于拓扑优化方法的海洋柔性管缆限弯器新型设计研究

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船舶力学 2023年第3期27卷 415-426页

作者：朱鹏程杨志勋阎军史冬岩王立夫曹鹏哈尔滨工程大学机电工程学院哈尔滨150001 大连理工大学工程力学系辽宁大连116024

限弯器是保护海洋柔顺性管缆端部连接处在位过程中避免破坏的重要海洋工程装备之一。传统限弯器的结构形式较为固定,而且设计方法仅仅依赖于尺寸设计,因此,传统限弯器结构设计通常偏于保守且经济性较差。本文提出一种基于拓扑优化理论... 详细信息

限弯器是保护海洋柔顺性管缆端部连接处在位过程中避免破坏的重要海洋工程装备之一。传统限弯器的结构形式较为固定,而且设计方法仅仅依赖于尺寸设计,因此,传统限弯器结构设计通常偏于保守且经济性较差。本文提出一种基于拓扑优化理论的限弯器结构优化设计方法。基于传统限弯器结构几何形式定义设计变量空间,以柔度最小化为优化目标,在强度约束的条件下构建优化列式。通过该优化设计方法可以在初始设计阶段实现限弯器的新构型结构设计。同时,开展优化结构与原始结构的数值模拟分析,通过力学性能分析对比发现:在相同的工况荷载下,优化后的限弯器结构整体质量降低了16.0%,承载能力提高了18.6%。

关键词：柔性管缆限弯器拓扑优化新构型

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柔性管缆防弯器材料与连接的设计研究

柔性管缆防弯器材料与连接的设计研究

作者：石鸿毅大连理工大学

学位级别：硕士

防弯器在海洋工程领域具有广泛应用,对海洋柔性管缆可以起到很好的弯曲保护效果。前人针对防弯器主体结构的分析以及优化工作具备一定规模,但对防弯器主体结构的材料设计与连接结构的几何参数设计关注度不高。针对防弯器主体结构的材料... 详细信息

防弯器在海洋工程领域具有广泛应用,对海洋柔性管缆可以起到很好的弯曲保护效果。前人针对防弯器主体结构的分析以及优化工作具备一定规模,但对防弯器主体结构的材料设计与连接结构的几何参数设计关注度不高。针对防弯器主体结构的材料进行优化设计,可以减小防弯器体积,使防弯器的经济性更强。探究连接结构几何参数对防弯器性能的影响,对连接结构进行设计与分析,可以提高防弯器在工程应用中的安全性与可靠性。这两项工作对防弯器的工程应用具有重要意义。针对防弯器材料的优化设计,比较了丙纶、锦纶、涤纶以及玻璃纤维对聚氨酯弹性体力学性能的增强效果,根据试验结果将涤纶长纤维作为聚氨酯弹性体的增强相,对涤纶长纤维增强聚氨酯材料力学性能进行研究。当加入的涤纶长纤维体积分数为0.8%时,通过理论、数值和试验方法,发现其纵向弹性模量可以提高26.8%。将该材料用于防弯器,与聚氨酯弹性体防弯器相比,在保护效果基本一致的情况下,涤纶/聚氨酯弹性体防弯器的体积可以减小6.5%,可以实现防弯器的体积优化。为进一步提升防弯器的材料刚度,在涤纶增强的基础上,于基体中混入体积分数为0.3%的短切碳纤维。通过试验以及数值分析发现,碳纤维/涤纶混杂增强聚氨酯弹性体材料的纵向弹性模量比聚氨酯弹性体高56.5%。将该材料应用于防弯器中,在弯曲保护性能不折减的情况下,该复合材料防弯器较聚氨酯弹性体防弯器,体积可以缩减14.5%,对体积的优化效果明显。为对防弯器的连接结构进行分析,建立了包含连接结构的防弯器有限元模型,并设计弯曲试验验证有限元模型的正确性。在此基础上,设计正交试验,分析5个几何参数对防弯器保护性能的影响。基于正交试验结果,获得了连接结构几何参数变化对于防弯器关键性能指标的影响程度。建立的有限元模型以及分析方法,对防弯器连接结构的设计与分析具有实际的指导意义。

关键词：防弯器柔性管缆复合材料连接结构

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柔性管缆限弯器弯曲刚度设计与验证

柔性管缆限弯器弯曲刚度设计与验证

作者：丁乐声大连理工大学

学位级别：硕士

柔性管缆是海上资源开发的关键装备,随着海上资源开发工作不断加快,其需求也不断增多,有广泛的应用前景。限弯器是通过增加额外弯曲刚度从而保护柔性管缆不发生弯曲失效的常用附件,其核心设计指标是弯曲刚度。限弯器的形状复杂且包含接... 详细信息

柔性管缆是海上资源开发的关键装备,随着海上资源开发工作不断加快,其需求也不断增多,有广泛的应用前景。限弯器是通过增加额外弯曲刚度从而保护柔性管缆不发生弯曲失效的常用附件,其核心设计指标是弯曲刚度。限弯器的形状复杂且包含接触这一非线性边界条件,这些对其设计以及验证工作造成一定困难。为解决这一问题,需从结构刚度分析理论、设计流程以及验证方法三方面对限弯器弯曲刚度开展研究。本文首先基于欧拉-伯努利梁理论建立了计算限弯器弯曲刚度的整体纯弯梁模型,同时应用板弯曲理论与Hertz接触理论建立局部锁合结构弯曲模型,最终合并两者得到了限弯器弯曲刚度理论模型,通过理论模型可以直观的了解各参数对限弯器弯曲刚度的作用机理。还进一步使用该理论模型得出其半经验求解形式,并且基于限弯器实例应用有限元验证了限弯器弯曲刚度理论模型中假设的合理性。从分析结果中可知,半经验求解与有限元分析相对误差最大值仅为4.05%,而计算效率是后者120余倍,充分验证了所建立弯曲刚度理论模型半经验求解的准确性和高效性。基于理论模型探究公头端部高度、母头尾部厚度、有效节长、材料弹性模量四种参数对限弯器弯曲刚度的影响趋势,再运用基于有限元的正交试验分析方法进行定量分析加以补充和验证。然后根据限弯器的几何关系和主要参数对弯曲刚度的影响,给出了设计步骤更详细、设计顺序更合理的高效限弯器弯曲刚度设计流程。本文最后基于结构力学试验中的悬臂梁刚度测试方法,提出了仅需测量结构挠度和集中力大小的简单高效的悬臂梁结构限弯器试验验证方法。应用该方法对配合面位置不同的三组限弯器进行测试,其最大相对误差为2.42%;又因为实际应用中限弯器配合面位置是随机的,所以对限弯器弯曲刚度进行工程计算或试验验证时两个半体配合面的装配方向可以忽略。再将各组试验结果与有限元数值分析结果和理论半经验求解结果的平均相对误差的最大值为2.32%,各组试验最大相对误差的最大值为3.80%,进一步证明了两种分析方法的准确性。

关键词：柔性管缆限弯器弯曲刚度设计流程验证试验

海洋柔性管缆疲劳试验关键问题及疲劳失效机理研究

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海洋柔性管缆疲劳试验关键问题及疲劳失效机理研究

作者：赵秉宇大连理工大学

学位级别：硕士

海洋柔性管缆包括柔性管道、脐带缆、光电缆等设备,用于连接油气开采设备与平台等浮式设备,在海洋油气开采系统中占据重要地位。由于海洋环境复杂,柔性管缆经常在服役期间发生各种各样的失效,其中疲劳失效做为一种较难预测的失效模式受... 详细信息

海洋柔性管缆包括柔性管道、脐带缆、光电缆等设备,用于连接油气开采设备与平台等浮式设备,在海洋油气开采系统中占据重要地位。由于海洋环境复杂,柔性管缆经常在服役期间发生各种各样的失效,其中疲劳失效做为一种较难预测的失效模式受到广泛关注,成为当前相关学术研究的重点和难点。预测疲劳失效的发生需要对管缆进行准确的疲劳寿命预测,局部应力的求解是疲劳寿命预测的重要部分。由于柔性管缆结构复杂,层间经常采用非粘接的形式,大量的非线性导致在发生变形时局部应力计算结果不准确。当前学术界难以通过理论或数值寿命预测方法获得柔性管缆准确的疲劳寿命,需要在室内进行原型柔性管缆的模拟实际工况疲劳试验。本文首先介绍海洋柔性管缆的结构特点,并介绍材料疲劳的基本理论。引出在海洋复杂荷载作用下柔性管缆在位工况下的疲劳失效问题,根据其失效机理讨论预测管缆疲劳寿命的方法,并就其中的的计算误差进行了分析,明确了模拟实际工况实验的必要性。根据当前疲劳试验研究的进展,提出试验中尚未解决完善的关键问题,即摆头的设计。疲劳试验中摆头部分承担施加循环弯曲荷载的作用,其长度设计对于在弯曲荷载下管缆的线型有着很大的影响,就此问题本文首先建立简单的理论模型,而后通过ABAQUS软件进行仿真分析,并提出了模拟工况试验中摆头设计相关方案,而后通过线型测量实验进行了验证。本文叙述已经完成的疲劳试验的试验系统与试验流程,从多方面进行了试验方法与试验结果的简要分析。模拟实际工况的疲劳试验需要消耗大量的人力物力,同时试验周期长,且研究的是柔性管缆整体的疲劳失效问题。本文进一步从柔性管缆疲劳机理上开展两个方面的研究:1.管缆承受疲劳循环荷载时,层间往复的滑动导致铠装钢丝层间存在摩擦磨损行为,本文对层间摩擦磨损行为进行试验研究。2.对管缆在拉伸与弯曲荷载下的非线性响应开展试验研究。本文立足于完成高度还原的柔性管缆结构的模拟实际工况疲劳试验的基本目标,并在此之上进行了疲劳失效的机理分析,对当前学术界对于柔性管缆结构的疲劳问题分析有一定借鉴与启发意义。

关键词：柔性管缆疲劳试验模拟实际工况弯曲行为摩擦磨损

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海洋柔性管缆弯曲限制器设计与制造技术研究

海洋柔性管缆弯曲限制器设计与制造技术研究

作者：谢宗伯大连理工大学

学位级别：硕士

柔性管缆是海洋石油开发不可缺少的重要装备之一,特别是其在深海石油开发中的应用十分广泛。为了保证柔性管缆在各类工况中不发生过度弯曲破坏,需要弯曲限制器这一重要的附属构件对柔性管缆进行保护。同时,为了打破我国在弯曲限制器产... 详细信息

柔性管缆是海洋石油开发不可缺少的重要装备之一,特别是其在深海石油开发中的应用十分广泛。为了保证柔性管缆在各类工况中不发生过度弯曲破坏,需要弯曲限制器这一重要的附属构件对柔性管缆进行保护。同时,为了打破我国在弯曲限制器产品长期依赖国外技术的局面,有必要尽快集成对弯曲限制器的自主设计技术与制造技术。海洋柔性管缆弯曲限制器主要有限弯器、防弯器和喇叭口三种。这三种弯曲限制器可分别应用于柔性管缆不同的位置以及不同的海洋环境。由于柔性管缆限弯器和防弯器都可以由聚氨酯弹性体材料制备而成,所以本文主要是对聚合物限弯器及防弯器这两种弯曲限制器进行设计、制造以及测试技术的研究。本文首先分别对限弯器和防弯器的设计流程进行总结,并基于失效模式给出了限弯器和防弯器的设计内容和设计方法。同时,利用有限元软件,建立了限弯器和防弯器的三维有限元模型,并通过具体实例验证了限弯器和防弯器设计方法的可靠性与准确性。在此基础上,本文对所设计的限弯器和防弯器进行了制造方法的研究,并根据该方法制造出了符合产品要求的限弯器和防弯器产品。同时,本文依托制造出的防弯器产品,给出了防弯器的实验验证方法,并根据实验结果,验证了防弯器的防弯效果,确定了防弯器设计方法的准确性。

关键词：柔性管缆弯曲限制器设计与制造聚氨酯弹性体成型工艺

基于OrcaFlex软件的柔性管缆正常铺设计算分析

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海洋工程装备与技术 2016年第2期3卷 129-134页

作者：孙锟李雪松陈晓东石锦坤深圳海油工程水下技术有限公司广东深圳518067 海洋石油工程股份有限公司天津300461

海上铺设柔性管缆是海洋油气开采技术的重要环节之一,而能够准确评估管缆铺设参数以确定作业天气窗口是其关键问题。基于集中质量法,分别从模型建立条件、模型数据输入、作业接受标准、施工作业参数等方面考虑,明确柔性管缆铺设分析施... 详细信息

海上铺设柔性管缆是海洋油气开采技术的重要环节之一,而能够准确评估管缆铺设参数以确定作业天气窗口是其关键问题。基于集中质量法,分别从模型建立条件、模型数据输入、作业接受标准、施工作业参数等方面考虑,明确柔性管缆铺设分析施工参数,建立简化的正常铺设分析模型和分析方法,并以工程项目为实例,进行layback敏感性、轴向压力、最大作业海洋环境等分析。根据作业接受标准确定合适的作业天气窗口为2.5m有义波高、30°浪向内。分析表明:选取合适的layback有利于海上施工作业;实际施工中应避免出现轴向压力;对于浅水电缆铺设,最小弯曲半径是决定海上最大作业海况的主要限制条件。

关键词：柔性管缆正常铺设 OrcaFlex模拟集中质量法轴向压力

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基于柔性管缆运动监测数据的位移计算方法

石油矿场机械 2022年第1期51卷 29-36页

作者：赵晨宇罗晓兰张涛刘军鹏中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102249

为了得到柔性管缆的弯曲应力和疲劳损伤累积应力计算所需的位移数据,通过实时监测获得的柔性管缆的加速度数据,应用四元数法和4阶Runge-Kutta(龙格库塔)法对其瞬时运动姿态角进行更新求解。然后,剔除监测加速度数据中的重力加速度分量,... 详细信息

为了得到柔性管缆的弯曲应力和疲劳损伤累积应力计算所需的位移数据,通过实时监测获得的柔性管缆的加速度数据,应用四元数法和4阶Runge-Kutta(龙格库塔)法对其瞬时运动姿态角进行更新求解。然后,剔除监测加速度数据中的重力加速度分量,应用FFT(离散傅立叶变换的快速算法)频域法,推导出柔性管缆3个方向位移的计算公式,并运用MATLAB计算其位移值。为柔性管缆的弯曲强度和疲劳强度计算提供理论依据。

关键词：柔性管缆监测数据位移四元数法 FFT

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深水柔性管缆竖直铺设工艺

中国修船 2022年第4期35卷 50-53页

作者：赵秀美樊磊刘敏由培蕾海洋石油工程股份有限公司天津300461

随着我国海洋油气工业不断向深水挺进,柔性管缆具有柔韧性好、安装方便、抗腐蚀性强和可回收等优点,已成为经济高效地开发深水油气田的不可或缺的重要设施。柔性管缆的铺设安装是深水油气田建设中的一个重要环节,随着铺设水深的增加,需... 详细信息

随着我国海洋油气工业不断向深水挺进,柔性管缆具有柔韧性好、安装方便、抗腐蚀性强和可回收等优点,已成为经济高效地开发深水油气田的不可或缺的重要设施。柔性管缆的铺设安装是深水油气田建设中的一个重要环节,随着铺设水深的增加,需要考虑的施工细节繁杂。文章结合国内深水柔性管缆铺设的具体工程案例,对柔性管缆竖直铺设技术进行研究和探讨,指出其对我国海洋油气产业发展的重要意义。

关键词：柔性管缆竖直铺设铺设方案

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