内压作用下钢丝缠绕增强橡胶软管的力学响应研究

摘要

随着全球石油天然气能源需求的急剧增长，陆地资源开采难度的日益加大，海洋已经成为全球资源开采的新增长点。世界上的发达国家都从战略高度采取各种有效措施积极推进海洋工程的发展。
　　 海底管线是海洋工程的重要组成部分。我国目前使用的海底管线多为硬质海底管线，即钢管外覆混凝土。随着海洋工程的快速发展，硬质海底管线的安全问题日益突出。钢丝缠绕增强橡胶软管，即海底输油软管，是一种全新的复合管，通常由内胶层、内胶保护层、中胶层、二至六层钢丝缠绕增强层和外胶保护层组成，以直径为2～4mm的钢丝倾角缠绕成型的网状骨架为增强体，以橡胶为基体。这种独特的结构，使得钢丝缠绕增强橡胶软管集钢管、橡胶管两种管材的优点于一体，具有良好的耐腐蚀性、承压性、弯曲性以及施工简便、可回收再利用等优点，在石油化工、市政工程、船舶等领域具有广阔的应用前景。
　　 我国生产的这种软管虽然与国外产品在名称上相同，但是其结构形式并不相同。从结构形式上看，我国的软管更类似于钢丝缠绕增强塑料复合管(PSP)，但仍不能完全套用针对PSP所得到的相关结论。关于钢丝缠绕增强橡胶软管的研究，目前大多停留在制造、安装及应用等方面，对其力学性能的研究还处于起步阶段，因此对其进行力学性能的研究具有重要的科研和工程意义。本课题在辽宁省教育厅科研项目基金(No.L2010461)的大力支持下，采用ANSYS软件对钢丝缠绕增强橡胶软管的静力响应进行了较为系统深入的数值模拟研究，主要研究内容包括:
　　 (1)从复合材料的角度，全面总结了复合管线的发展动态、种类结构以及力学行为的研究现状。
　　 (2)根据软管的实际构造，采用有限元软件建立基于多层正交各向异性层合壳的软管三维有限元静力分析模型，对内压作用下软管静力响应进行了数值模拟研究。并通过与已有试验数据对比，验证软管数值模型的合理性。研究结果表明内压作用下软管端部为薄弱部分，最容易发生破坏，在软管设计与制造过程中应引起足够的重视。
　　 (3)在上述软管有限元模型基础上，建立内部充满均匀水介质的软管数值模型，对内压与横向荷载联合作用下的软管静力响应进行了数值模拟研究。并通过与已有试验数据对比，验证软管数值模型的合理性。
　　 (4)通过改变钢丝缠绕增强橡胶软管数值模型的参数，进一步分析了影响软管力学性能可靠性的各个因素，主要包括内压、横向荷载以及悬跨长度等。研究结果表明:对软管力学性能可靠性影响最为重要的因素是内压;其次是悬跨长度;横向荷载对软管力学性能可靠性的影响最弱，但对软管竖向位移影响较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 前言

1．1．2 硬质海底管线失效原因

1．1．3 海底输油软管的优越性

1．1．4 国内外软管的生产现状和发展趋势

1．1．5 课题研究背景

1．2 复合管线研究现状

1．2．1 复合管线的发展概述及动态

1．2．2 复合管线种类

1．2．3 非金属骨架增强复合管

1．2．4 金属骨架增强复合管

1．2．5 复合管线的力学行为研究现状

1．3 海底管线

1．3．1 海底管线的发展概述及动态

1．3．2 海底管线的种类

1．3．3 海底管线的铺设方法

1．3．4 我国海底管线发展前景

1．4 论文主要研究内容

第二章 有限元基本理论

2．1 有限单元法的介绍及其基本原理

2．2 大型有限元软件ANSYS介绍

2．2．1 ANSYS软件的介绍

2．2．2 ANSYS软件的通用分析计算步骤

2．3 ANSYS软件和APDL语言

2．4 本章小结

第三章 内压作用下钢丝缠绕增强橡胶软管的静力响应研究

3．1 概述

3．2 单元的选择

3．2．1 基本假设

3．2．2 组分工程弹性参数

3．2．3 橡胶单元

3．2．4 钢丝单元

3．3 实体建模

3．4 边界条件及荷载

3．5 改进模型

3．6 分析计算结果

3．6．1 验证模型

3．6．2 内压作用下钢丝缠绕增强橡胶软管的应力计算结果分析与讨论

3．6．3 内压作用下钢丝缠绕增强橡胶软管的薄弱部分研究

3．6．4 内压作用下钢丝缠绕增强橡胶软管的力学响应研究

3．7 本章小结

第四章 内压与横向荷载联合作用下钢丝缠绕增强橡胶软管的静力响应研究

4．1 概述

4．2 单元的选择

4．3 实体建模

4．4 边界条件及荷载

4．5 分析计算结果

4．5．1 验证模型

4．5．2 横向荷载对软管静力响应的影响规律

4．5．3 悬跨长度对软管静力响应的影响规律

4．6 本章小结

第五章 钢丝缠绕增强橡胶软管的可靠性能影响因素分析

5．1 概述

5．2 有限元模型

5．3 分析计算结果

5．3．1 在单独内压作用情况下

5．3．2 在内压与横向荷载联合作用情况下

5．4 本章小结

第六章 结论

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简介

致谢