海洋柔性立管疲劳试验机设计与分析

摘要

目前海洋油气资源开采后的运输方式主要有三种方式，分别是容器运输、管道运输、容器-管道混合运输。目前世界各国大部分都采用管道运输作为其主要的油气运输方式。而管道又可分为两类，即刚性管道与柔性管道。柔性管较之于刚性管有很多优点，例如其易弯曲、方便铺设、并且可回收、经济性能好，并且比刚性管更适应海洋环境。
　　海洋柔性立管受循环应力作用（波浪、海流、船体等）较多的表现出轴向拉伸应力及横向弯曲应力。在不断的循环应力下管体会发生疲劳破坏，影响使用寿命。柔性立管的设计需要通过试验验证其合理性。
　　本文设计了立管全尺寸疲劳试验机，该试验机可以对柔性立管施加弯矩与轴向拉力使立管完成拉弯组合试验。通过该试验机可以获得规定循环次数下立管内部结构的可靠性测试结果和最终状况。本文首先通过对柔性立管疲劳试验的原理对试验机进行结构设计，该结构为卧式结构，通过拉伸端提供张力以及摆动端提供驱动以模拟柔性立管工作环境。然后利用有限元软件对试验机的主要机构进行静力分析以验证结构强度，并对试验机进行了最大工况条件下的寿命分析。建立了试验机与样管的刚柔耦合模型，通过多体动力学软件对试验机的运动干扰问题、液压缸以及样管运动问题进行了仿真分析，并利用线性独立矢量法对试验机的平衡性进行了研究。最后对试验机的动力学特性研究，对试验机进行模态分析确定了试验机在自由模态、约束模态以及预应力模态，得到了各种模态下的固有频率及振型。并对试验机进行了谐响应分析，得出了其在简谐载荷条件下的动力学响应。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及其意义

1．2 问题阐述

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的主要工作

2 软管疲劳试验基础

2．1 疲劳理论

2．1．1 材料的疲劳性能

2．1．2 疲劳损伤累积效应与法则

2．2 柔性立管的疲劳

2．3 立管的试验工况

2．4 立管试验模型

2．4．1 立管理论模型

2．4．2 试验样管相关参数

2．4．3 试验机设计相关参数

2．5 本章小结

3 疲劳试验机的设计

3．1 疲劳试验机的设计原理及方案

3．2 驱动机构设计

3．2．1 驱动方式选择

3．2．2 液压缸型号的选择

3．2．3 驱动机构位置分析

3．3 试验机整体结构设计

3．4 试验机材料的选择

3．5 主体框架结构有限元分析

3．6 试验机机体的疲劳寿命

3．6．1 旋转销轴疲劳理论计算

3．6．2 疲劳寿命有限元分析

3．7 本章小结

4 疲劳试验机的运动学分析

4．1 运动学分析

4．1．1 摆动机构运动学分析

4．1．2 柔性管的运动学分析

4．2 试验样管与防弯器的柔性化

4．3 运动学仿真

4．3．1 运动干涉问题研究

4．3．2 弯曲液压缸相关运动参数

4．3．3 拉伸液压缸与试验样管运动分析

4．4 试验机平衡问题

4．5 本章小结

5 试验机结构动力学特性及试验机建造

5．1 结构动力学分析

5．2 模态分析

5．2．1 模态分析基础

5．2．2 模态分析过程

5．2．3 无预应力模态

5．2．4 预应力模态

5．3 试验机的谐响应分析

5．3．1 谐响应分析基础

5．3．2 谐响应分析的要点及过程

5．3．3 谐响应分析结果

5．4 试验机建造情况

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历