深海复合材料立管力学特性分析与优化设计研究

摘要

立管是深海油气资源开发的关键装备之一,随着近海油气田勘探开发逐渐向深海发展,传统的钢制立管难以满足设计要求。纤维增强复合材料作为深海钢立管设计的替代材料具有众多优势,如:高比强度、高比刚度、腐蚀性能好,热导率低以及抗疲劳能力强等等,因此在深海油气开发中复合材料立管应用前景诱人。
　　由于使用复合材料对油田开采成本的缩减显著,金属材料立管向复合材料立管过渡已成为深海装备开发的趋势。此外,立管重量的减轻直接减少了顶部张力,从而减少了平台尺度。并且随着水深不断增加,这种减重的影响会愈加突出。然而对于海洋工程结构,使用复合材料进行设计远不及使用金属材料成熟,因此有必要验证复合材料立管可以如钢制立管一样满足一定的设计要求。由于两者材料以及工艺的巨大差别,复合材料立管需要不同的设计方法,因此对于深海复合材料立管设计中其面临着诸多挑战:
　　首先,复合材料各向异性的特点增加了设计的难度。对于各向同性材料,刚度和强度可用一个杨氏模量与泊松比给出,组合应力的强度判据仅需要一个强度参数数据;但对于复合材料来讲,单个铺层材料具有4个刚度参数和5个强度参数,多个铺层时刚度常数可以多到21个,强度参数为层数的5倍,故破坏准则已无法简化为标量形式。
　　其次,复合材料立管的整体模型简化存在难点。海洋环境下立管整体动力分析是确保安全性的条件之一,最常用手段是将其简化为梁单元进行有限元分析。然而对于复合材料结构,由于其材料各向异性以及铺层设计的多变性使得其难以简化,如何将设计参数与立管宏观力学特性建立联系是设计中的另一难题。
　　最后,复合材料立管的设计变量众多,刚度矩阵和强度准则判据复杂,因此在对其优化设计过程中需要耗费大量的计算资源。此外由于海洋环境中的立管在材料、尺寸、载荷等方面具有不确定性,由此导致的计算分析结果均具有不确定性。为了深入了解复合材料立管的力学特性,对其设计变量中进行随机性可靠性分析计算是必要的。
　　针对上述三个关键的难题,本研究探讨了纤维增强复合材料层合立管的宏观力学特性、强度破坏和局部屈曲的失效模式,并进行了优化设计和可靠度计算,主要工作如下:
　　1.复合材料立管局部模型分析及外压屈曲的可靠度分析
　　建立了刚性纤维增强复合材料层合立管局部数值模型,根据规范设计考虑了内压、外压、拉伸等载荷作用下的典型失效模式,其中,强度破坏考虑了纤维与基体的耦合影响;分析了模型参数(材料、几何、铺层参数)对力学性能的影响;针对外压屈曲临界载荷的计算,考虑了不同设计变量随机性的敏感度分析。
　　2.复合材料悬链线立管整体动力响应分析
　　根据复合材料层合理论计算立管的等效力学参数,并以其建立深水悬链线复合材料立管整体等效模型。考虑极限环境载荷的作用对悬链线立管进行整体动力分析,得到了关键截面处的内力以及位移,为局部模型铺层参数的优化设计提供了载荷和边界条件。
　　3.复合材料刚性立管的优化设计研究
　　使用遗传算法对承受内外压、轴向拉力、弯曲载荷的复合材料立管接头的铺层进行优化设计。复合材料结构设计变量和约束条件多、约束函数复杂,因此优化过程收敛缓慢。采用近似模型技术结合实验设计的方法可以显著提高优化效率。针对铺角设计中面临的多目标优化问题,使用此方法可以有效获得到帕累托前沿面,从而有效帮助设计者进行选择。
　　本文创新性的工作主要体现在:深海复合材料悬链线立管整体分析方法的建立、复合材料立管设计中局部模型分析与整体模型分析的关联、复合材料立管设计变量随机性对屈曲性能的影响分析以及将先进的优化方法与复合材料立管设计相结合。
　　研究通过层合理论得到复合材料立管截面的等效材料参数并建立全局模型;整体动力分析表明顶部和触地区域为截面内力最大区域,是设计中的危险截面;将整体模型得到的截面内力加载到局部有限元模型中,考虑在强度和稳定性约束下的优化;通过随机性分析对复合材料立管外压屈曲稳定性进行了可靠度评估,结果表明壁厚和铺角对复合材料立管外压屈曲性能影响最大。以上研究结论对复合材料立管工程设计具有参考意义。

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第一章 绪论

1.1 国内外研究现状

1.2 课题研究意义

1.3 主要研究内容

1.4 研究特色

第二章 海洋复合材料管局部模型分析

2.1 引言

2.2 复合材料立管局部力学模型

2.3 复合材料管局部失效模式及设计计算

2.4 复合材料管局部模型参数对力学性能影响

2.5 本章小结

第三章 复合材料悬链线立管整体动力分析

3.1 引言

3.2 复合材料管截面等效理论

3.3 复合材料立管整体梁模型等效

3.4 复合材料立管整体分析

3.5 本章小结

第四章 复合材料刚性立管优化分析

4.1 引言

4.2 复合材料结构优化设计理论

4.3 基于整体模型分析的复合材料立管局部优化设计

4.4 复合材料铺角对立管内压、拉伸力学性能设计

4.5 本章小结

第五章 复合材料立管屈曲可靠度性分析

5.1 引言

5.2 可靠度分析理论

5.3 复合材料立管外压屈曲可靠度分析流程

5.4 复合材料立管外压屈曲可靠度分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录1：图片目录

附录2：表格目录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目