海底管道坠物碰撞损伤数值模拟分析研究

摘要

海底管道在海洋油气生产活动中扮演着重要角色，由于其运行环境的特殊性，一旦发生泄露事故，不但会对生产活动与生活造成影响，还会造成海洋环境的污染，因此其安全性广受关注。
　　造成海洋油气管道失效的因素主要分为三类:机械损伤、腐蚀破坏、疲劳破坏。本文将对海洋油气管道在运行期间可能遭受的坠落物碰撞造成的机械损伤进行研究。在海洋油气生产活动中，存在着大量的第三方活动对海底管道的碰撞损伤破坏行为，这会对海底管道的安全运行产生严重影响。由于海底管道的碰撞损伤与材料非线性、几何非线性及非线性接触等力学行为密切相关，为进一步揭示管道在坠物冲击载荷作用下的机械损伤规律，解决实际工程中受损管道安全性评估等问题，需要对海底管道在坠物冲击载荷作用下碰撞接触模型、接触特性、覆层影响以及管道完整性的评估方法进行深入研究。
　　为此，本文拟从两个方面着手进行海底管道碰撞数值模拟分析研究。其中包括:坠物冲击载荷作用下海底管道的机械损伤影响因素研究;海底管道机械损伤各影响因素敏感性分析。本文在数值模拟过程中将充分考虑材料非线性、几何非线性及非线性接触等非线性因素，分析在坠落物冲击载荷作用下的海底管道的碰撞特性，进一步发展海底管道碰撞接触分析模型，获取坠落物形状、速度、质量等对坠物碰撞损伤的影响特性，以及管道几何参数、海底管道覆层、管道埋深等保护措施对坠物碰撞损伤的保护效果。本文将通过ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，对海底管道坠落物碰撞损伤进行数值仿真。通过对海底管道碰撞的有限元数值分析来确定其碰撞特性并评估海底管道的安全性，确定最主要的影响因素，为本课题以后在综合考虑碰撞后力学失效的基础上，提出海底管道碰撞损失程度的综合定量评估方法奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究内容

2 海底管道碰撞损伤分析方法

2．1 引言

2．2 能量法

2．2．1 坠落物撞击能量

2．2．2 混凝土配重层抵抗能量的计算

2．2．3 钢管抵抗撞击能量的计算

2．3 经验公式法

2．3．1 Bai Yong公式

2．3．2 Ellinas-Wallker公式

2．3．3 Furnes-Amdahl公式

2．4 数值计算法

2．4．1 有限元法的简介

2．4．2 显示动力有限元分析软件ANSYS／LS-DYNA简介

2．4．3 显示积分理论基础

2．4．4 接触、碰撞问题的数值计算方法

3 海底管道坠落物碰撞数值仿真

3．1 模型的几何参数

3．2 结构的材料特性

3．2．1 海底管道的本构关系

3．2．2 海床的本构关系

3．2．3 坠落物的材料模型

3．3 有限元模型建立

3．4 计算结果准确性验证

3．4．1 能量平衡

3．4．2 沙漏问题

3．5 计算结果的处理与分析

3．5．1 管道的变形时程分析

3．5．2 管道的能量时程分析

3．5．3 管道的冲击力时程曲线

3．5．4 管道的应力与应变时程分析

3．6 小结

4 海底管道坠物损伤的影响因素分析

4．1 引言

4．2 撞击能量对碰撞的影响

4．2．1 相同撞击质量、不同撞击速度对管道凹痕的影响

4．2．2 相同撞击速度、不同撞击质量对管道凹痕的影响

4．2．3 不同撞击质量在最大沉速下对管道凹痕的影响

4．2．4 管道能量吸收情况

4．3 海底管道径厚比对碰撞的影响

4．4 坠落物形状对碰撞的影响

4．5 管道混凝土配重层对碰撞的影响

4．5．1 海底管道混凝土层的结构形式

4．5．2 混凝土层的本构关系

4．5．3 混凝土层厚度对碰撞的影响

4．6 管道埋深对碰撞的影响

4．7 海底管道坠物冲击损伤影响参数的敏感性分析

4．7．1 正交试验简介

4．7．2 敏感性试验设计

4．7．3 参数敏感性正交试验结果分析

4．8 小结

结论

展望

参考文献

基金项目信息

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢