海洋柔性管道拉弯组合疲劳试验机设计研究

摘要

海洋非粘结复合柔性管道是深水油气开发不可缺少的装备，随着我国对深水油气资源开发的需求增加，需要大量使用深水动态柔性管道。由于柔性管道的结构比较复杂，目前的理论与数值方法都不能准确的模拟管道的结构力学行为。特别是动态柔性管道在位时的疲劳寿命分析，目前还不能进行有效的数值模拟，通常需要进行模拟实际工况的疲劳寿命试验。目前，在国外只有少数国家进行了柔性管道模拟在位工况的疲劳寿命实验。我国近些年开始了对柔性管道的设计与制造研究，但是尚没有开展模拟在位工况的疲劳实验，一方面是国内没有研发成实用的柔性管道，另一方面尚没有研发成实用的疲劳试验机。
　　本文全面的考虑柔性管道上弯段的实际工况，利用计算控制的作动器真实模拟管道在位时浮体升沉与横摇，实现了目前常见海洋柔性管道加速疲劳试验，使试验试件的加载情况与管道在位实际相符合，以此保证试验试件疲劳损伤与实际相符合。本文基于疲劳试验机的概念设计原理，全面进行了试验机系统的总体设计、基本设计、详细设计，并对重要设计参数进行了数值仿真分析。对于深海柔性管道由于工况复杂，荷载较大，在试验机设计时对管道约束结构有较高的要求，采用框架式结构。针对其特点本文进行了详细的结构设计分析，并创建三维模型，应用有限元软件对结构进行静力和疲劳性能分析，然后利用动力学软件对试验机摆头部分进行动力学分析，研究各铰接处的受力变化情况，为后续试验机连接轴承以及作动器设计提供依据。本文最后针对浅海柔性管道工况特性，设计了一种新型无框架式小型拉弯组合疲劳试验机。该试验机能更加方便调整距离和更换摆头以适用于各种不同工况的浅海柔性管道疲劳试验。文中对试验机结构进行分析论证，并创建试验机结构的三维模型，同时对试验机结构进行有限元模拟和动力学分析，以验证设计方案，保证试验机设计的安全性能。本文设计研究的疲劳试验机系统经计算分析，效果良好，填补国内的空白，各项指标都达到国际先进水平。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景

1．2 国内外柔性管道疲劳试验现状

1．2．1 国外柔性管道疲劳试验技术发展

1．2．2 国内柔性管道疲劳试验技术发展概况

1．3 本文主要内容

2 海洋柔性管道拉弯组合疲劳试验分析

2．1 疲劳分析理论

2．1．1 疲劳概念

2．1．2 疲劳寿命分析方法

2．1．3 疲劳损伤累积理论

2．2 海洋柔性管道疲劳分析理论

2．2．1 海洋柔性管道结构形式

2．2．2 海洋柔性管道疲劳分析

2．3 海洋柔性管道疲劳试验技术

2．3．1 海洋柔性管道在位工况

2．3．2 海洋柔性管道载荷分析

2．3．3 海洋柔性管道全尺寸疲劳试验原理

2．4 拉弯组合疲劳试验机系统介绍

3 大型框架式拉弯组合疲劳试验机设计分析

3．1 框架式试验机结构设计

3．1．1 试验机系统加载能力设计

3．1．2 试验机结构设计理论

3．1．3 试验机结构初步设计方案

3．1．4 试验机详细设计

3．2 框架式试验机结构有限元模拟

3．2．1 有限元方法及ANSYS介绍

3．2．2 框架式试验机ANSYS建模及加载

3．2．3 框架式试验机ANSYS静力及疲劳分析

3．3 框架式试验机摆头动力学仿真

3．3．1 框架式试验机ADAMS建模

3．3．2 框架式试验机ADAMS仿真分析

4 无框架式小型拉弯组合疲劳试验机介绍

4．1 无框架式试验机结构设计

4．1．1 无框架式试验机系统加载能力设计

4．1．2 无框架式试验机结构设计

4．2 无框架式试验机结构有限元模拟

4．2．1 无框架式试验机ANSYS建模及加载

4．2．2 无框架式试验机ANSYS静力及疲劳分析

4．3 无框架式试验机摆头动力学仿真

4．3．1 无框架式试验机ADAMS建模

4．3．2．无框架式试验机ADAMS仿真分析

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢