管道S型初始铺设力学模型研究及在仿真系统中的应用

摘要

海底管道作为海洋油气资源的主要输送方式，与陆地上的管道铺设相比，在充满了各种不利因素的复杂海洋环境中铺设管道，其施工作业的工艺更为复杂，对作业人员的操作要求也更高。在管道铺设期间，由于海流和波浪的存在，管道受到各种弯曲应力的作用，铺管船在波浪中的运动方式也将导致管道形态和应力的变化。本文基于201船实际作业环境，针对管道初始铺设作业，研究管道在常值海流下静态铺设形态和受力以及在波浪、铺管船运动影响下管道的振动特性。准确地模拟出初始铺管作业中管道和起始缆的形态，有助于创建一个逼真的深水铺管起重船铺管作业虚拟训练环境。
　　（1）根据实际铺管工艺流程以及对作业人员的需求，建立了一套铺管作业视景仿真系统，该系统包括指挥员系统、教练员系统、张紧器系统、动力定位（DP）系统。对于铺管作业仿真系统，综合考虑了海况、铺管船、DP等多种因素对铺管作业的影响，构建了 DP、视景、张紧器等模块数据交流模型，实现了整个铺管仿真系统的内部数据通讯，针对仿真系统计算程序的需求和铺管作业各种算法的分析，确定了视景仿真系统铺管作业的计算方法，实现了铺管数学模型的程序化。
　　（2）对管道 S型初始铺设作业中管道和缆索进行静态受力分析。首先在自然坐标系下建立管道微分方程，利用差分法对非线性微分方程进行离散化处理；然后采用拟牛顿法对方程进行求解，准确解算出管道节点的形态及其内力，根据缆索微段受力建立平衡方程，并迭代出缆索节点位置及内力；最后将仿真实验得到的结果与OFFPIPE计算结果进行了比较，从而验证了算法的准确性，且分析了不同流速下管道形态和内力的变化。
　　（3）基于海上实际铺管作业，研究海况和动力定位等对管道的影响。根据海洋作业环境以及线性波理论分析出波浪速度随水深变化的分布，采用Morison方程推导出管道单元的波浪载荷数学模型，基于梁理论及哈密顿原理建立了管道在波浪作用下的振动数学模型；结合初始铺管作业的特点，采用合适的数值算法迭代出管道振荡位移及其内力；通过仿真算例分析了不同海况下波浪对铺管作业中管道的影响以及管道关键位置作用力的实时变化。
　　（4）通过联立铺管作业各工位，在铺管作业仿真系统平台上进行联合调试，对仿真系统进行功能性测试以及仿真算法理论的验证。通过对海上201船实际作业中具体案例的仿真模拟，铺管仿真系统运行稳定，各个工位视景画面显示流畅，主界面数据传递显示快速正确；最后通过平台进行了张紧器的张力测试，分析了在波浪和船体共同作用下管道的动态响应；实验结果表明，本文的算法理论能有效地应用于S型管道初始铺设，能够实现海上铺管作业方案的工程预演、可行性分析和优化作业方案等目的。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及其意义

1.2 视景仿真技术发展现状

1.3 海底管道铺设关键技术

1.4 本文主要研究内容

第2章 铺管作业仿真系统及其算法分析

2.1 铺管视景仿真系统架构

2.2 铺管视景仿真系统的设计

2.3 深水铺管计算分析方法

2.4 本章小结

第3章 常值海流下管道静力学分析

3.1 托管架上管道数学模型

3.2 初始铺管静态数学模型

3.3 控制微分方程数值解

3.4 数值结果分析

3.5 本章小结

第4章 在波浪动态边界下管道振动分析

4.1波浪载荷数学模型

4.2 管道初始铺设振动数学模型

4.3 数值求解

4.4管道初始铺设动力响应分析

4.4 本章小结

第5章 铺管作业仿真系统平台及其测试

5.1铺管作业仿真系统

5.2仿真系统功能测试

5.3仿真系统平台实验及其结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢