深海管中管复合结构稳定性与屈曲传播的非线性力学研究

深海管中管是为防止油气中的水合物固结,从而导致管道堵塞而采用的新技术.目前对海洋管中管的结构设计主要基于其塌陷压力,但深海管中管除了面对塌陷失效以外,还有屈曲传播的问题,管道的塌陷压力远高于其屈曲传播的压力.而现有圆环分析法预测的屈曲传播压力却远低于实验结果.本课题研究深海管中管的结构失效与屈曲传播问题.事实上管道的屈曲与屈曲传播是力学机理完全不同的两个问题：前者描述的是失稳的现象，后者却可以看成是一个亚稳定的过程.二者虽然是两个不同的力学范畴问题，但却相互关联.分析时采用变动的屈曲边界条件，运用非线性大挠度的后屈曲理论，考虑薄膜应力的影响，以确定管中管的局部屈曲模态；根据后屈曲给出的屈曲传递区长度，运用虚功原理建立传递区内的能量关系，借助三相共存理论求解屈曲传播压力.本课题旨在将管中管的屈曲与屈曲传播问题有机的结合起来，研究其失效的实际机理，为近海工业正确评估管中管的承载能力提供技术支持

1..研究背景.随着逐渐向深海开发石油资源的需要，许多海洋工程力学中的问题迫切需要人们去解决，而关于海底管中管的屈曲和屈曲传播的研究则是其中最为困难最富特色的一项研究课题。目前对屈曲传播问题的研究主要采用圆环分析法。这样的分析，除了过低的屈曲传播压力，还无法解决很多屈曲传播过程中的问题，比如，屈曲传播区的长度问题。为了解决上述问题,也为了更加明确屈曲传播的机理，我们运用非线性大挠度的板壳理论和弹塑性理论，综合考虑薄膜应力、弯曲应力和材料塑性硬化的影响，分别对管道受外压作用下的屈曲及屈曲传播问题进行了详细的研究。.2. 研究内容要点:.(1) 深海管道的弹性后屈曲分析.(2) 深海管道的弹塑性后屈曲与屈曲传播区长度.(3) 分析深海管道的屈曲传播.(4) 试验与有限元分析.3..项目的重要结果.（1）.项目组考虑薄膜力的影响，在Timoshenko平面应变解得基础上，考虑轴向变形的影响，建立挠曲函数，运用Karmen-Dowell理论分析了深海管道的弹性后屈曲机理，获得了管道后屈曲变形的变形模态，为进一步分析屈曲传播问题，掌握传播的机理，打下了基础。.（2）.由于平面应变的分析方法，忽略了沿管道轴向的薄膜力的影响，所得的屈曲传播压力比实际结果低30%-50%。项目组根据所获得的传递区位态，运用塑性全量理论，建立了屈曲传递区内的力学机制和变形特点，获得了屈曲传播压力的解析解。所得的解跟试验结果非常吻合。.（3）.海底管道所处环境复杂，并非只受均衡外压作用，还存在拉力、压力、弯曲等组合作用。通过考虑海底管道在轴向拉力与外静水压力作用下，运用非线性大挠度板壳稳定性理论，深入剖析研究海底管道局部屈曲失稳与屈曲传播的发生机制。研究表明管道发生压屈失稳过程中，管道的形态变化特征，由于轴向力对管道产生了薄膜效应，使其承载能力在一段时间内，先是下降然后上升，但承载力的极限值变化不大，且其与材料特性无关。本项目研究的意义在于，使实际工作者能够更直接客观地认识管道的破坏原因、形态。有利于更好的建设和维护管道损坏。.（4）.目前对深海保温管的非线性结构失效的研究文献还很少。项目组采用Reddy的一阶剪切理论，考虑局部的失效模态，应用修正的Karmen-Donnell理论，对夹层圆柱壳的非线性力学性能进行了分析，搞清了夹层保温管的失效机制，获得了其局部后屈曲失效的模态和屈曲压力。填