缓波形钢悬链立管分析与优化设计

摘要

随着海洋油气开采不断向深海发展，工程中对立管系统有了更高的要求。钢悬链立管由于外形简单、易于建造安装，有较高的性价比，成为立管设计的首选，但其存在的问题是触地区域疲劳损伤严重，且随着水深的增加，对平台的负荷越来越大，因此在悬链线基础上发展出了缓波构型的钢悬链立管。缓波形钢悬链立管的工程应用较少，为保证立管工作的安全性，必须进行强度与疲劳等特性分析。此外，由于浮力材的添加，立管构型更加复杂，不同构型的钢悬链立管强度与疲劳等性能不同，这为缓波形钢悬链立管的设计带来很大不确定性，由于涉及到的参数众多且互相影响，由此引出了对立管构型优化问题的探讨。
　　首先，本文基于时域方法与 S-N曲线，采用 OrcaFlex对简单钢悬链立管以及缓波形钢悬链立管进行对比分析，包括立管静态和动态强度、疲劳等方面，探讨缓波形钢悬链立管整体特性及优势。结果表明：缓波形钢悬链立管整体动态响应变化幅值较小，对平台运动以及慢漂具有更好的适应性；其疲劳危险点为立管顶部应力节下端、浮力材段和触地点；相对于简单悬链线立管，缓波形立管顶部以及触地点区域的疲劳性能得到显著改善，触地点疲劳寿命可提高近1个数量级。
　　其次，探究不同设计参数对缓波形立管整体强度和疲劳特性的影响，结果表明：浮力材的位置、长度与密度对缓波形立管整体强度影响很大；水动力系数对立管整体疲劳寿命有较大影响，土体刚度和内流密度对触地点疲劳影响较大，应谨慎选取。
　　在上述分析的基础上，本文探讨了缓波形立管的优化方法，基于遗传算法并采用不同的方案对立管构型进行优化设计。优化目标分别为最小化立管静态等效应力、最小化立管动态等效应力、最大化立管疲劳寿命，设计变量为立管各段长度以及浮力材的密度。优化结果表明：静态与动态强度优化使得立管对平台的负荷得到有效降低，且等效应力也有所降低，但没有起到提升立管疲劳寿命的作用；以疲劳作为目标的优化，其疲劳寿命得到了显著提高，同时优化后的立管也具有良好的动态强度性能，是最满足要求的优化方式。
　　本文对缓波形钢悬链立管的强度、疲劳等关键特性进行了分析，并探索其构型的优化方法，对立管的设计分析工作具有一定的参考价值。

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第1章 绪 论

1.1研究背景和意义

1.2缓波形钢悬链立管研究进展

1.3钢悬链立管优化研究进展

1.4本文的主要研究内容

第2章 缓波形钢悬链立管动力分析方法

2.1应用于缓波形立管的悬链线理论

2.2缓波形钢悬链立管力学模型

2.3动力学方程数值求解

2.4钢制立管应力计算

2.5疲劳分析方法

2.6本章小结

第3章 缓波形钢悬链立管时域动力与疲劳分析

3.1立管模型与环境载荷

3.2缓波形与简单钢悬链立管静态分析

3.3缓波形钢悬链立管动态运动与强度分析

3.4缓波形立管整体疲劳分析

3.5本章小结

第4章 基于遗传算法的立管优化框架集成

4.1遗传算法运算流程

4.2遗传算法的模型建立与实现方法

4.3整体优化框架与集成

4.4本章小结

第5章 缓波形钢悬链立管优化设计

5.1缓波立管多参数优化问题的定义

5.2以静态强度为目标的构型优化设计

5.3以动态强度为目标的优化设计

5.4以疲劳寿命为目标的立管优化

5.5不同优化方案的结果对比

5.6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