非粘合柔性立管截面特性与结构响应的理论计算研究

As the offshore industry advances into deeper waters and harsher environments, the use of unbonded flexible pipes becomes increasingly essential. However, determination of various mechanical characteristics and structural response analysis of flexible pipes has never been an easy task due to their complex multi-layer structure. The objective of this study is to build analytical models to predict the cross-sectional properties and structural behavior of unbonded flexible risers. Considering this aim and the limitations of existing models, the research involves coupled analysis of axisymmetric and bending responses, hysteretic behavior of stress under three-dimensional dynamic bending and influence of an end fitting on the cross-sectional properties and structural behavior of the riser. The emphasis is put on the stress calculation and the end-fitting effect. Love’s nonlinear differential equations of equilibrium, classical elastoplasticity models and the Euler-Lagrange equation are employed to conduct the study. Another objective of this study is to develop an efficient numerical model. Using the developed model, combining physical tests, the analytical model is verified. This research covers critical techniques involved in the global analysis and local analysis of flexible risers, which will promote the design and analysis of flexible risers and other unbonded flexible structures.

随着海洋油气开发持续向深水推进，非粘合柔性软管的应用越来越广泛，但复杂的多层结构形式为其截面特性计算与结构响应分析带来了困难。本研究旨在建立一套可靠的理论模型来实现非粘合柔性立管特别是端部配件区域的截面特性计算与结构响应分析。针对这一研究目标及现有模型存在的问题，本课题从Love的非线性平衡微分方程、经典的弹塑性理论以及变分法中的欧拉-拉格朗日方程入手，将开展轴对称响应与弯曲响应的耦合分析、三维动态弯曲条件下条带应力的迟滞行为以及端部配件对柔性立管截面特性与结构响应的影响等方面的研究，并将重点将放在条带应力的计算及端部配件的影响上。此外，本课题还将研究开发高效的数值模拟技术并结合数值模拟和试验测试完成理论模型的验证。上述研究内容涵盖了柔性立管从整体分析到局部分析的一系列关键技术，将有效地促进柔性立管的设计及分析，同时也将对其他非粘合柔性结构的设计及分析起到积极的作用。

随着海洋油气开发持续向深水推进，非粘合柔性软管的应用越来越广泛，但复杂的多层结构形式为其截面特性计算与结构响应分析带来了困难。本项目旨在建立一套可靠的理论模型来实现非粘合柔性立管的截面特性计算与结构响应分析。针对这一研究目标及现有模型存在的问题，本项目开展了轴对称响应与弯曲响应的耦合分析、三维动态弯曲条件下条带应力的迟滞行为、端部接头对柔性立管截面特性与结构响应的影响以及高效数值模拟技术的开发等方面的研究，并取得了如下进展：. (1) 建立了新的滑移萌生及扩展分析的理论模型。该模型考虑了弯曲引起的张力以及由此造成的接触压力分布不均，修正了现有模型对此的一贯认识。. (2) 将接触力学理论应用到柔性软管的截面特性计算中，结合聚合物层的剪切变形及泊松效应，成功解释了柔性软管在无滑移阶段出现的弯曲刚度损失。. (3) 将经典的弹塑性理论应用到三维动态弯曲条件下条带应力的迟滞行为研究中，提出了一种新的易于实现程序编制且具有较高计算效率的应力计算模型，为柔性立管时域内的疲劳分析奠定了基础。此外，该模型还可以顺带得到立管截面的弯矩-曲率关系和弯曲刚度，为弯曲特性的计算提供了另外一种途径。. (4) 利用变分法中的欧拉方程建立了直接计算条带滑移位置的理论模型，因而可以考虑端部接头这一边界条件对柔性立管截面特性与结构响应的影响，弥补了现有模型未能考虑这一影响的不足。. 上述学术成果涵盖了柔性立管从整体分析到局部分析的一系列关键技术，将有效地促进柔性立管的设计及分析，同时也将对其他非粘合柔性结构的设计及分析起到积极的作用。. 基于研究工作取得的进展，发表标注资助的期刊论文4篇，均被SCI和EI检索，其中3篇发表在专业领域的顶级期刊Marine Structures上；发表标注资助的EI检索会议论文1篇；申请软件著作权1项；培养硕士研究生1名。.