深海复合材料悬链管线的时域疲劳分析及鲁棒性优化设计

摘要

随着现有陆上及近海油气资源储量的日渐枯竭，再加上经济发展对油气资源的需求更为紧迫，使得近年来油气勘探开采区域逐渐由原来的浅海作业转向深海发展。深海管线作为连接海上钻井设备与水下井口装置，实现深海油气输送的关键设备之一，一直得到科研工作者的高度关注。然而，随着水深的逐渐加深，传统钢制管线的重量急剧上升，这就需要海上钻井设备提供更高的预紧张力。此外，水深增加也使得水下管线部分承受着极大的水压力。一般认为钢制立管的水下开采极限深度不超过1500米。然而，在已探明的海洋油气资源中，有近三分之一是分布在水深超过1500米的极深甚至是超深水域中。为此，传统钢制立管将难以满足深海油气开采的需求，而具有更多性能优势的复合材料管线应运而生。复合材料管线不仅能够保证具有与钢制管线一样的密闭性，还具有其独特的优势所在，包括：材质轻、导热系数低、良好的耐腐蚀及抗疲劳性能、高比强度与高比刚度等，这些优越性能使复合材料管线能够适应更深水域、具备更长的服役生命周期。
　　常见的复合材料管线主要分为非粘结性柔性管线和粘结性刚性立管两大类。其中，非粘结性柔性管线由可以相互滑移的性能增强层组成；而粘结性刚性立管则由核心增强层与纤维缠绕层构成。由于复合材料结构复杂，所处的深海环境又极为恶劣，因此对复合材料管线的设计也面临着诸多挑战。首先是多层非粘结性柔性管线的局部力学性能不清晰、层与层之间的力学关系难以描述以及各向异性的本构关系增加了分析的难度；其次是复合材料管线众多的设计变量以及设计过程中巨大的时间代价；最后是复合材料管线服役环境的多变性、结构性能的不确定性以及在制造安装过程中的偏差性等问题都将导致管线在最后服役期间的安全可靠性得不到有效地保障。
　　本文针对深海复合材料管线面临的诸多挑战，进行了以下主要研究工作：
　　1.通过整体等效分析法对多层复合材料管线进行计算，得到整体拉伸刚度和弯曲刚度，建立等效后的有限元分析模型，求解相应的内力响应；再利用多层应力分配法，将整体内力响应转换到各个复合材料结构层上，从而得到层与层的内力响应以及层间的相互关系；最后通过Miner累积损伤理论和S-N曲线求得深海复合材料管线各个功能层的疲劳寿命，为精确求解复合材料管线疲劳寿命提供新的方法与思路。
　　2.针对复合材料设计变量多，设计耗时长的特点，本文采用整体-局部分析法在保证计算精度的前提下简化了模型构建，提高了设计效率。利用经典层合板理论进行整体分析，得到任意材料属性、铺角形式、叠层顺序以及层合板厚度的复合材料管线的刚度矩阵及相应的等效模量，为后续的优化设计提供重要的边界依据。
　　3.优化设计方法在改善结构性能、降低结构生产成本方面逐渐得到来自实际工程的认可。然而，传统的确定性优化设计在追求结构低成本的同时忽略了由此带来的性能波动的不稳定性。因此，本文采用更为稳健的鲁棒性优化设计方法，在保证降低结构成本的目标下，最大程度上确保结构不因外界参量的扰动而发生失效破坏。同时，为了节约优化时间成本，采用了试验设计方案，并提出用元模型代替仿真模型，从而极大程度地提高了优化效率。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 课题立项依据

1.4 课题研究内容

第二章 深海脐带缆多层结构的力学响应分析

2.1 引言

2.2 悬链线数学分析模型

2.3 脐带缆整体等效分析

2.4 多层脐带缆结构的力学响应研究

2.5 脐带缆多层结构分析法与整体分析法的对比研究

2.6 本章小结

第三章 深海脐带缆时域疲劳及参数敏感性分析

3.1 引言

3.2 疲劳分析理论基础

3.3 脐带缆时域疲劳分析方法对比研究

3.4 脐带缆时域疲劳参数敏感性分析

3.5 本章小结

第四章 深海复合材料悬链线立管等效力学特性研究

4.1 引言

4.2 复合材料立管的等效力学特性分析

4.3 复合材料立管的整体响应分析

4.4 复合材料立管的局部特性分析

4.5 本章小结

第五章 深海复合材料悬链线立管的鲁棒性优化设计

5.1 引言

5.2 鲁棒性优化设计方法

5.3 深海复合材料立管优化设计流程

5.4 复合材料悬链线立管鲁棒性优化设计

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文