海洋柔性立管线型基本设计方法研究

摘要

海洋柔性管道常常悬挂于浮体之下，以立管形式进行服役或铺设。此时，柔性管道不仅需承受管道自身、内部输送流体以及附属构件的重力、浮力等功能性荷载，还会受到波浪、流、浮体运动等环境荷载的作用，可能出现过度拉伸、弯曲、疲劳，以及与其他物体碰撞等失效。因此，需要将给定的柔性管道设计成一定的几何形态，布置于水下空间，并借助附属构件对立管的整体形态和局部变形进行控制，以避免发生上述失效，此项工作称之为“线型设计”。中国的柔性立管线型设计长期依赖国外公司，不仅设计成本高昂，而且制约了相关行业的发展。在国家“十二五”863项目——“柔性海底管道关键技术研究”（2012AA09A212）的支持下，论文系统研究并掌握了柔性立管线型和附属构件基本设计、详细分析的理论与实现方法。
　　柔性立管线型的基本设计是确定立管空间布局、整体几何参数，并对附属构件提出需求的关键环节。目前工程界常用试算法进行上述设计，即依据类似工程经验初步给出上述关键设计参数，再针对各类可能失效模式进行校核;若设计不满足所有的失效准则要求，则返回修改设计参数，直至获得可行设计。随着柔性立管应用向超深水(水深≥1500m)、极浅水(水深≤50m)不断拓展，其线型设计的变量较多、荷载工况数量庞大、失效模式多样，以及整体分析昂贵的问题更加突显。上述问题不仅造成使用传统试算设计方法效率低、成本高，甚至于无法获取可行设计;也为引入耦合设计、优化设计等先进设计方法带来了挑战。为此，本文针对柔性立管在位与铺设线型的基本设计的方法展开了研究，主要工作如下:
　　(1)针对当前柔性立管的线型和附件设计相对独立，存在设计迭代次数多且不利于总体性能优化的问题，本文提出柔性立管线型与附件集成的设计方法以克服上述难题。基于柔性立管线型、防弯器和浮筒设计的力学原理，使用简化、高效的理论分析方法在基本设计阶段进行线型和附件的集成设计;然后使用有限元动力学分析软件，对获得的线型与附件设计进行详细分析，验证设计的可靠性。上述集成设计方法，通过对柔性立管线型与附件的同步设计与验证，减少设计迭代次数、提高设计效率，并且有利于获取综合性能更优的设计方案。本文以一个超深水（1500米）柔性立管线型的设计案例，实践了上述集成设计方法;并且通过同步修正线型与附件，综合提升了此立管的抗疲劳性能。
　　(2)针对极浅水柔性立管线型设计因为结构高度非线性、动力响应显著而必须使用非线性时域动态分析，并且因为存在多种关键失效模式导致设计可行域较小、难以搜寻可行设计的问题，本文提出了基于代理模型的柔性立管线型优化设计方法。通过建立代理模型代替昂贵的立管线型非线性时域分析;同时构造优化数学列式，借助优化算法代替人工试算，从而实现高效设计。以一个极浅水陡波型立管的设计作为案例，取线型各段特征长度作为设计变量，以动态极值曲率响应作为优化目标，以管体结构失效作为约束条件，建立了该立管线型优化数学列式;进而，使用优化拉丁超立方方法抽样，并对样本进行非线性时域分析，构造了变量与响应之间基于径向基函数(Radial Basis Function，RBF)的代理模型;使用多岛遗传算法与非线性二次规划法(NLPQL)混合的优化算法，兼顾全局寻优性与优化求解效率进行优化设计。算例显示，即使在所有抽取的样本均不满足曲率设计约束的条件下，使用上述方法仍以较高精度获取一个满足所有失效约束的优化设计。
　　(3)本文以柔性立管典型的缓波线型为研究对象，发展了一种使用线型各特征段端部角度作为设计变量的基本设计方法，称为“角度设计法”。区别于传统的、以线型各关键长度作为设计变量的方法，角度设计法具备设计变量独立、无量纲且易于控制线型几何形态等优点，可以有效避免传统设计方法的大量产生几何不可行样本、浪费计算资源的问题，从而提升了立管线型的基本设计效率。首先阐述了角度设计方法的设计理论与流程，然后使用参数化方程实现角度设计，通过调用行业认可的柔性立管线型数值分析软件对设计结果进行验证。角度设计法对缓波线型设计的简化与效率提升，为引入基于“顺应性”的设计方法提供了实施基础。进而，本文探讨了柔性立管线型的“顺应性设计”概念并给出了简化的度量指标，即将柔性立管线型的顺应性能曲线保守近似为，以浮体平衡位置为圆心，满足柔性立管结构失效约束条件的最小浮体偏移量为半径的圆，使用偏移半径作为线型顺应性的度量指标。在设计案例中，基于角度设计法，凭借参数分析获得了不同“顺应性”目标的缓波线型。
　　(4)柔性管道在铺设过程中同样会呈现立管形态并且需要对其线型进行设计，特别是在铺设上弯段，柔性管道将与下水桥产生弹性接触，且因为接触应力集中、结构动力学耦合等问题而难以实现准确预测。本文首先使用非线性时域分析方法实现对铺设过程中整体线型的动态仿真，通过非线性时域方法分析获取了管道的动态铺设张力、入水角度等设计所需信息。针对铺设上弯段局部线型的受力分析问题，基于欧拉梁与Hertz接触假设，建立梁与弹性圆柱面的变形耦合接触分析模型，用于上弯段接触压力的快速分析;并且结合对下弯段部分的受力分析、补充了边界条件，实现了对上述接触分析模型的求解。最后，建立了模拟铺设上弯段的室内半物理仿真试验系统，用于分析柔性管道与下水桥结构的动力耦合问题。具体使用了六自由度运动平台模拟铺管船运动，采取大比尺(1∶6)的管道模型与下水桥模型，通过截断管道下弯段并取等效配重模拟铺设张力，实现了对铺设上弯段的动态试验模拟。通过测量管道与下水桥的静、动态接触压力，并与数值分析结果对比，表明该试验方法是一种可以预测和验证铺设上弯段受力的有效方法。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 柔性立管线型设计概述

1．2．1 柔性立管线型设计概念

1．2．2 柔性立管线型工程设计理论

1．2．3 柔性立管线型分析方法综述

1．2．4 柔性立管线型设计流程概述

1．3 线型基本设计方法研究现状与趋势

1．3．1 耦合／集成设计方法

1．3．2 基于数值优化算法的线型设计

1．3．3 传统设计与分析方法的改进

1．3．4 铺设线型及上弯段问题

1．4 本文主要研究思路

2 柔性立管线型与附件集成设计方法研究

2．1 集成设计参数研究与设计流程

2．2 线型与附件集成基本设计方法

2．2．1 线型与附件集成设计原理

2．2．2 基于悬链线方程的线型基本设计

2．2．3 防弯器的基本设计方法

2．2．4 分布式浮筒的基本设计方法

2．3 线型与附件的整体分析与评价

2．3．1 静态分析与验证

2．3．2 动态分析与评价

2．4 柔性立管线型的集成设计案例

2．4．1 线型与附件的基本设计

2．4．2 整体分析与评价

2．4．3 设计修正

2．5 本章小结

3 极浅水柔性立管线型及优化设计方法研究

3．1 极浅水柔性立管线型设计问题

3．1．1 极浅水柔性立管线型设计的工程问题

3．1．2 极浅水问题的工程解决方案

3．1．3 极浅水柔性立管线型设计难点

3．2 基于代理模型的线型优化设计方法

3．2．1 柔性立管线型优化的基础

3．2．2 代理模型及构造方法

3．2．3 适用的优化算法

3．3 极浅水线型优化设计案例

3．3．1 工程背景及描述

3．3．2 构造优化数学列式

3．3．3 rsiging与RBF模型建立

3．3．4 优化与结果验证

3．3．5 讨论与结论

3．4 本章小结

4 柔性立管线型角度设计法与顺应性设计

4．1 缓波线型的角度设计法

4．1．1 角度设计法的提出

4．1．2 角度设计法描述

4．1．3 角度法参数化方程

4．1．4 关于角度法的讨论

4．2 柔性立管线型顺应性及设计

4．2．1 柔性管道顺应性与柔性的区别

4．2．2 线型顺应性含义与度量指标

4．2．3 线型顺应性能的简化度量

4．2．4 顺应性设计方法与探讨

4．3 基于角度设计法顺应性设计案例

4．3．1 基于角度设计法的初始设计

4．3．2 基于参数分析的顺应性设计

4．3．3 集成附件的顺应性设计

4．3．4 讨论与结论

4．4 本章小结

5 柔性管道铺设过程仿真与上弯段耦合力学分析

5．1 柔性管道铺设过程的数值仿真分析

5．1．1 铺设过程数值仿真策略

5．1．2 铺设过程数值模型的建立

5．1．3 铺设过程动态分析

5．1．4 讨论与结论

5．2 铺设上弯段简化分析与数值研究

5．2．1 铺设上弯段问题描述

5．2．2 上弯段接触压力的工程估算方法

5．2．3 铺设案例与上弯段数值模拟

5．3 铺设上弯段接触压力的变形耦合模型

5．3．1 基于欧拉梁与弹性圆柱面的变形耦合接触模型

5．3．2 基于缠绕力学问题的剪力求解方法

5．3．3 分析案例与结果讨论

5．4 铺设上弯段半物理仿真试验方法

5．4．1 半物理仿真试验原理

5．4．2 缩比模型与试验装置

5．4．3 试验结果与讨论

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介