“S”型海洋管道铺设中的力学性质研究

摘要

铺管船法铺设海洋管道时，管道一端置于海底，另一端依托于铺管船上，中间是一段较长的悬跨段，为保证悬跨段管道不发生屈服，必须根据铺设时的海洋环境及时地对海洋管道的力学性质进行分析，以确定合理的铺管船作业参数。铺设中的悬跨段管道具有几何非线性性质，其悬跨段长度及着地点的受力未知，使得问题的求解难度增加。经过三十多年的研究，虽然分析方法多种多样，但仍没有很好地解决速度、精度和通用性三者之间的关系。目前我国还没有开发出适用于工程实际的管道分析软件，尤其是滩海管道铺设及相关技术的研究，在国内至今仍然很少。 国内由于“S”型海洋管道铺设的需要，急需解决管道铺设时力学性质的分析计算方法这一难题。本文针对“滩海浅近海管道铺设技术及敷设装备研制”问题，对“S”型海洋管道铺设中的力学性质及收/弃管作业过程中管线的受力和变形等关键问题进行了深入的研究。 本文提出了一种确定“S”型海洋管道弹性变形的解析方法，所涉及的管道是借助于浮力可调整的铰接托管架铺设的。利用奇异摄动法分别考虑了托管架和管道悬跨段的变形，另外运用一些附加条件和两者接合点处的连续条件，得到了整个管道二阶变形的近似算法。这种方法既充分考虑了管道的弹性、非线性和几何大变形问题，又能够方便地运用计算机语言进行数值计算。使用本文方法可处理复杂受力和边界条件，较小修正后即可运用到相似结构中。另外与有限元方法相比，大大减少了计算时间，因此可以实现铺管作业参数的优化，很好地解决了海洋管道分析中速度、精度和通用性三者之间的关系。 在理论分析和计算的基础上，本文运用MATLAB语言编制了海洋管道计算程序，对二维受力状态下的“S”型铺管进行了分析，并运用非线性有限元方法对收/弃管作业状态下管道的受力和变形进行了研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究的目的和意义

1.2海洋管道分析方法综述

1.2.1海洋管道的分析内容和过程

1.2.2管道数学模型的建立方法

1.2.3管道数学模型的求解方法

1.2.4管道计算方法比较

1.3本文工作概述

1.3.1本文的主要工作

1.3.2内容安排

2摄动方法基础

2.1引言

2.2基本的摄动方法(正则摄动法)

2.2.1基本原理

2.2.2求解中的关键问题

2.2.3无量纲化方法

2.3正则摄动法失效的典型情况

2.4奇异摄动法

2.4.1变形坐标法

2.4.2匹配渐进展开法

2.4.3合成渐进展开法

2.4.4多重尺度法

2.5小结

3“S”型海洋管道铺设中的静力分析

3.1概述

3.1.1海洋管道系统规程

3.1.2海洋管道的计算特点

3.1.3铺管作业方式分析

3.2铺设中海洋管道数学模型及其解

3.2.1基本方程

3.2.2奇异摄动法求解

3.2.3附加条件

3.3收/弃管作业状态下的管道分析

3.3.1收/弃管工艺方案

3.3.2收/弃管作业时管道的变形及受力分析

3.3.3算例分析

3.4小结

4海洋管道计算程序说明

4.1计算程序需求分析

4.2MATLAB编程基础及其在计算方法中的应用

4.2.1MATLAB简介

4.2.2MATLAB的优点

4.2.3MATLAB程序设计

4.3海洋管道计算过程分析

4.3.1计算流程图

4.3.2非线性方程组迭代解法说明及步骤

4.3.3程序设计说明

4.4小结

5计算算例及比较分析

5.1“S”型铺管法计算算例

5.2“S”型铺管法管道变形图和弯矩图

5.3初始张紧力对管道应力影响分析

5.4小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢