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考虑海底接触的钢悬链式立管触地点动力响应以及疲劳损伤分析

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计算力学学报 2017年第6期34卷 704-711页

作者：高云王小梅熊友明邹丽宗智西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 东京大学机械工程学院大连理工大学船舶工程学院大连116024

基于考虑接触的钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)触地点处的结构特性,分别采用了考虑管土分离的线性截断模型以及包含土体吸力效应的帽盖模型来描述P-y曲线。通过改变上端浮体的垂荡运动幅度、土体吸力系数以及海床刚度,对SCR触... 详细信息

基于考虑接触的钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)触地点处的结构特性,分别采用了考虑管土分离的线性截断模型以及包含土体吸力效应的帽盖模型来描述P-y曲线。通过改变上端浮体的垂荡运动幅度、土体吸力系数以及海床刚度,对SCR触地点处的动力响应以及疲劳损伤特性进行了分析。分析结果表明,SCR触地点的垂向位移、弯矩、等效应力以及疲劳损伤均随着浮体垂荡运动幅度的增加而呈上升趋势。SCR触地点的垂向位移随着土体吸力系数的增大由高幅低频响应转变为低幅高频响应。SCR触地点的疲劳损伤随着海床刚度的增加呈现先稳定再增加再稳定的趋势。

关键词：钢悬链式立管海底接触触地点动力响应疲劳损伤

海床土刚度对钢悬链线立管触地点动力响应的影响分析

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工程力学 2011年第A01期28卷 211-216页

作者：白兴兰黄维平高若沉浙江海洋学院船舶与建筑工程学院浙江舟山316004 中国海洋大学海洋工程系山东青岛266100 浙江海洋学院东海科学技术学院浙江舟山316004

基于大挠度柔性索理论,分别采用大挠度曲线梁、弹性地基梁模拟钢悬链线立管的悬垂段和流线段,揭示触地点在不同海床刚度和浮体运动条件下的动力响应。其中,SCR控制方程的建立和求解采用非线性有限元法,数值积分采用Newmark-β法,海床约... 详细信息

基于大挠度柔性索理论,分别采用大挠度曲线梁、弹性地基梁模拟钢悬链线立管的悬垂段和流线段,揭示触地点在不同海床刚度和浮体运动条件下的动力响应。其中,SCR控制方程的建立和求解采用非线性有限元法,数值积分采用Newmark-β法,海床约束采用弹簧-阻尼系统模拟。结合SCR顶端的运动边界条件,求解线性波浪载荷条件下SCR触地点的动力响应及应力状态。通过工程算例,分析海床刚度对SCR触地点挠度及应力大小的影响。研究表明:海底土刚度越大,SCR的极限应力越大,疲劳损伤越严重;SCR的竖向运动,将会引起触地点处的峰值弯曲应力。

关键词：钢悬链线立管触地点海床土刚度动力响应疲劳损伤

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深海钢悬链立管触地点动力响应分析

海洋工程 2009年第2期27卷 36-40,45页

作者：傅俊杰杨和振上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

研究深海钢悬链立管(SCR)在海洋环境载荷作用下的动力响应。利用非线性弹簧模拟立管与海床触地点的耦合模型,通过模态分析得到钢悬链立管的动力特性参数;时域动力响应分析获得不同工况下触地点及典型部位的位移、弯矩和应力时程。比较... 详细信息

研究深海钢悬链立管(SCR)在海洋环境载荷作用下的动力响应。利用非线性弹簧模拟立管与海床触地点的耦合模型,通过模态分析得到钢悬链立管的动力特性参数;时域动力响应分析获得不同工况下触地点及典型部位的位移、弯矩和应力时程。比较分析表明:浮体垂荡运动对触地点的应力状态影响较大,触地点附近存在钢悬链立管动力响应过程中的位移极值点和弯矩极值点。所提方法为触地点区域模拟分析提供了新思路,给出的分析结论对钢悬链立管设计有一定借鉴意义。

关键词：钢悬链立管触地点动力响应非线性弹簧

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钢悬链线立管触地点数值模型和疲劳寿命研究

钢悬链线立管触地点数值模型和疲劳寿命研究

作者：顾宇杰天津大学

学位级别：硕士

钢悬链线立管是目前海上油气开发的重要立管形式,立管在使用过程中,触地点附近由于受到环境载荷和上部浮体升沉运动等复杂激励的联合作用的影响,容易发生疲劳破坏。因此,对钢悬链线立管的疲劳评估是相关工程设计的重点。科学的管土相互... 详细信息

钢悬链线立管是目前海上油气开发的重要立管形式,立管在使用过程中,触地点附近由于受到环境载荷和上部浮体升沉运动等复杂激励的联合作用的影响,容易发生疲劳破坏。因此,对钢悬链线立管的疲劳评估是相关工程设计的重点。科学的管土相互作用模型将使评估更加真实准确,本文通过两种形式的模型对比,对钢悬链线立管静力响应和动力响应研究,评估相关参数对触地点疲劳寿命的影响。本文将海床土体看作一个整体,对弹塑性平面土体模型进行整体静力分析,用悬链线解验证其初始位形的准确性,通过等效应力、弯矩和沟槽深度发现最大埋深点、最大应力点和悬挂点三个特征点。在此基础上发现全管最大等效应力会随着土体刚度的增加而增加,最大沟槽深度会随着土体刚度的增加而减小,且速率都会越来越慢。以及通过动力分析,发现最大埋深点附近最容易产生疲劳破坏。本文还将海床土体定义为一系列非线性弹簧,对模型进行静力分析,与弹塑性平面土体模型静力分析结果进行对比,验证了P-y曲线的合理性,发现非线性弹簧土体计算方法会更加符合真实情况。分析了沟槽深度和吸力系数对钢悬链线立管触地点变形、等效应力和弯矩的影响。基于对非线性弹簧土体模型的动力分析,发现浮体平台垂向运动幅值的增大、沟槽深度的增加、吸力系数取值的增加,都会导致钢悬链线立管触地点的疲劳寿命的减小。通过实例计算,验证了本文提出方法的可靠性和适用性。相关参数的关系曲线各不相同,其中浮体平台垂向运动的改变对疲劳寿命的影响最为明显。

关键词：钢悬链线立管触地点管土相互作用非线性弹簧疲劳寿命

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钢悬链线立管触地点疲劳不确定性分析

钢悬链线立管触地点疲劳不确定性分析

作者：丁鹏龙天津大学

学位级别：硕士

世界多个地区(北非近海、墨西哥湾和中国南海等)正在积极发展深海石油开采,钢悬链线立管用于连接海底井口和海面浮体,是进行深海油气资源开发的关键设备,具有复杂的非线性动力特性,其独特的结构型式为设计、制造、安装和安全服役提出了... 详细信息

世界多个地区(北非近海、墨西哥湾和中国南海等)正在积极发展深海石油开采,钢悬链线立管用于连接海底井口和海面浮体,是进行深海油气资源开发的关键设备,具有复杂的非线性动力特性,其独特的结构型式为设计、制造、安装和安全服役提出了新的挑战。触地点(TDP)是钢悬链线立管与海床最初接触部位,是悬垂段和流线段的连接点,容易发生疲劳损伤,进而危及整个生产系统的安全。在水面浮体、波浪和海流作用下,触地点位置不断发生变化,疲劳损伤从触地点向整个触地区散播。由于浮体运动、土壤特性和立管材料直接影响触地点疲劳,且都存在不确定性,因而需要研究哪些参数对触地点疲劳寿命的影响较大,并且计算输入参数不确定性对应的疲劳失效概率。针对这些问题,本文主要工作如下:1.建立钢悬链线立管与FPSO的耦合模型,展开特定工况下的非线性动力分析,讨论了立管顶端和触地区静立和动力特征响应。计算了触地点位置分布函数、触地点管土作用,结果与非线性土壤模型理论表现一致。论述了钢悬链线立管疲劳理论、触地点疲劳成因,模拟计算得出了疲劳沿立管分布形式。2.根据Morris方法选定包括浮体运动、立管几何特征、水动力系数、海生物与管内液体、土壤参数在内的14个输入参数,通过抽样和数值模拟计算得到这些参数对立管触地点疲劳寿命影响重要性排名。3.基于拉丁超立方抽样,对选定的敏感性计算中的参数进行抽样,进而展开大规模蒙特卡洛模拟,求得立管不同位置疲劳寿命失效概率,并对比了确定性方法和不确定性方法。

关键词：钢悬链线立管触地点疲劳寿命敏感性分析蒙特卡洛模拟

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SCR管—土相互作用及触地点疲劳分析

SCR管—土相互作用及触地点疲劳分析

作者：武锐锋上海交通大学

学位级别：硕士

全球工业发展对油气的需求量不断增加,陆上油气及近海油气资源已经远不能满足需要,深海油气资源开发已经成为世界各国关注的焦点。我国海洋油气的开发也逐渐走向深海,南海海域已探明的油气储量极为丰富,海洋资源的开发成为重点的的研究... 详细信息

全球工业发展对油气的需求量不断增加,陆上油气及近海油气资源已经远不能满足需要,深海油气资源开发已经成为世界各国关注的焦点。我国海洋油气的开发也逐渐走向深海,南海海域已探明的油气储量极为丰富,海洋资源的开发成为重点的的研究方向。触地点（TDP）是悬链线立管最初接触海床土体的部位,是悬垂段和拖地段的连接点。虽然触地点是悬垂段张力最小点,但在海洋环境载荷及顶端浮体运动的影响下,拖地段与海床土体不断发生相互作用,使触地点成为悬链线立管疲劳分析的热点。本文首先总结了国内外悬链线立管管-土相互作用试验和数值模拟的研究进展,同时介绍了钢悬链线立管疲劳分研究现状。其次,介绍了海洋结构物的疲劳分析方法,以及管-土相互作用的分析方法,重点在于采用P ? y曲线模拟海床土体特性以及基于裂纹扩展计算的疲劳分方法。然后,采用有限差分方法对悬链线立管触地区管-土相互作用进行了静态模拟,研究了立管顶端位移、土体吸力、土体刚度等因素对触地点位置的影响;并与Hodder等的试验结果进行了对比,得出了相应的变化规律。再次,采用ANSYS中的非线性弹簧单元,模拟了反复加载时管-土的相互作用。采用了简化的土体滞回曲线模型,模拟了反复加载时海底沟槽深度的变化,并对比分析沟槽深度的变化对立管弯矩、等效应力等力学特性的影响。最后,采用有限元方法分析了完整的钢悬链线立管顶端循环垂向加载时的动力特性,得到触地点的应力时程,基于裂纹扩展率的单一曲线模型对比计算了触地点管表面裂纹的扩展曲线,并分析了影响裂纹扩展寿命的因素。

关键词：钢悬链线立管触地点疲劳分析管-土相互作用单一曲线模型非线性弹簧

深海钢悬链立管动力分析及触地点疲劳特性评估

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深海钢悬链立管动力分析及触地点疲劳特性评估

作者：傅俊杰上海交通大学

学位级别：硕士

近年来我国加快开发南海资源的脚步,因此研发具有自主核心技术的深海工程装备已成为优先任务。钢悬链立管(SCR)是进行深海资源开发的关键设备,它具有复杂的非线性动力特性,其独特的结构形式为设计、制造、安装和安全服役提出了新挑战。... 详细信息

近年来我国加快开发南海资源的脚步,因此研发具有自主核心技术的深海工程装备已成为优先任务。钢悬链立管(SCR)是进行深海资源开发的关键设备,它具有复杂的非线性动力特性,其独特的结构形式为设计、制造、安装和安全服役提出了新挑战。触地点(TDP)是钢悬链立管最初接触到海床的部位,也是结构分析的特征点。该位置是悬垂段与流线段的连接点,易发生疲劳破坏,进而危及整个采油系统的安全。该区域有部分初始悬空的立管会浸入海底,与土壤发生相互作用,同时涉及到大变形与非线性。所以,触地点是钢悬链立管数值分析的难点,需要展开针对性的研究。本文针对深海钢悬链立管的动力分析及触地点的疲劳特性问题进行深入研究,主要工作如下: 1、考虑海洋环境,建立基于非线性弹簧的钢悬链立管Lumped-Mass有限元耦合模型。探讨了钢悬链立管的发展及数值分析、疲劳分析的研究进展,在此基础上明确了研究方法,确立触地点为立管整体分析过程中需要重点关注的区域。借助P-y曲线考虑土壤的三维非线性反力,用修正后的Morison方程仿真海洋环境载荷,最终成功构造立管数值模型,并通过实验分析验证了该模型的合理性。 2、展开多工况非线性动力分析,得到立管的动力特性,重点研究触地点的动力响应。相对于频域动力分析,时域分析能更好的处理立管强非线性问题,其计算精度更高。结构整体分析的结果表明:在不同工况下,上端点均是刚性立管疲劳分析的特征点,而钢悬链立管疲劳分析的特征点位于触地点区域。通过比较多工况下的触地点响应时程,展示各因素的影响程度:浮体运动与制造材料变化的作用较大,而波浪改变对触地点动力特性的影响有限。此外,讨论的其它环境载荷与设计参数也具有一定影响。 3、参数敏感性分析立管工作寿命,着重探讨触地点疲劳特性,提出改善疲劳寿命的建议。基于立管动力研究,展开S-N曲线法疲劳分析,对比计算结果可知:触地点的疲劳寿命最小,定期变换该区域,可缓解疲劳累积;合理采用S-N曲线、改良制造工艺,能优化特征点应力集中;浮体垂荡对立管疲劳寿命影响较大,适当选择浮体有利于缓和耦合运动;借助浮力装置或混合形式,可以改善土壤非线性反力作用;在特征位置使用保护外层或钛合金等材料,有助于拓展立管适用空间。

关键词：钢悬链立管触地点非线性弹簧动力分析疲劳特性

海床土刚度对钢悬链线立管触地点动力响应的影响分析

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海床土刚度对钢悬链线立管触地点动力响应的影响分析

钢悬链式立管涡激振动流固耦合非线性分析方法研究

第19届全国结构工程学术会议

作者：白兴兰黄维平浙江海洋学院船舶与建筑工程学院中国海洋大学海洋工程系

基于大挠度柔性索理论,分别采用大挠度曲线梁、弹性地基梁模拟钢悬链线立管的悬垂段和流线段,给出触地点在不同海床刚度和浮体运动条件下的动力响应。其中,SCR控制方程的建立和求解采用非线性有限元法,数值积分采用Newmark-β法,海床约... 详细信息

基于大挠度柔性索理论,分别采用大挠度曲线梁、弹性地基梁模拟钢悬链线立管的悬垂段和流线段,给出触地点在不同海床刚度和浮体运动条件下的动力响应。其中,SCR控制方程的建立和求解采用非线性有限元法,数值积分采用Newmark-β法,海床约束采用弹簧-阻尼系统模拟。结合SCR顶端的运动边界条件,求解线性波浪载荷条件下SCR触地点的动力响应及其应力状态。通过工程算例,分析了海床刚度对SCR触地点挠度及应力大小的影响。研究表明:海底土刚度越大,SCR的极限应力越大,疲劳损伤越严重;SCR的竖向运动,将会引起触地点处的峰值弯曲应力。

关键词：钢悬链线立管触地点海床土刚度动力响应疲劳损伤

来源： cnki会议评论

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振动与冲击 2014年第3期33卷 41-45页

作者：刘娟黄维平中国海洋大学山东省海洋工程重点试验室青岛266071 青岛农业大学建筑工程学院青岛266009

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。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,并根据提出的钢悬链式立... 详细信息

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。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。

关键词：钢悬链式立管涡激振动大挠度细长梁触地点流固耦合