钢带缠绕复合管力学性能及可靠性分析

摘要

钢带缠绕复合管（SSRTP）由于其自身良好的特性，被越来越多的浅海管道工程师所青睐。SSRTP管在安装及服役过程中，不可避免的会受到环境载荷及相应的工作载荷，同时也会面临一系列的不确定因素，这将给管道的安全使用带来极大的挑战。为了确保管道在安装及使用过程中的完整性及可靠性，需要仔细评估SSRTP管在不同载荷工况下的力学性能以及其相关的设计安全系数。本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1）SSRTP管在外压作用下的屈曲失稳 基于实验和有限元的方法，研究了SSRTP管在外压作用下的压溃响应。通过液压缸完成SSRTP管的全尺寸实验，并采用商业有限元软件ABAQUS来模拟其压溃响应。将两种方法得出的压溃压力作对比，以验证所提出有限元模型的准确性。另外，给出评估SSRTP管抗外压能力下限值的简化理论公式，并通过数值模拟的方法探究了管道的初始缺陷、几何构型、层间摩擦系数等因素对管道抗压溃能力的影响。 2）SSRTP管在弯曲和外压组合载荷作用下的结构响应 在弯曲和外压组合载荷作用下，通过实验以及有限元的方法研究了SSRTP管在初始曲率下的压溃响应情况。同时，对管道最终抗压溃能力的影响因素如初始弯曲半径、钢带增强层的缠绕角度、径厚比、钢带条数等做了相关的参数分析。 3）SSRTP管在拉伸载荷作用下的结构响应 考虑SSRTP管的材料非线性、层间接触、摩擦等问题，通过ABAQUS有限元软件模拟管道在纯拉伸载荷作用下的力学响应。同时对SSRTP管进行全尺寸单轴拉伸实验，并将得到的位移-轴向拉力实验曲线与有限元模拟得出的结果作比对，以验证所提出的有限元模型准确性。并系统的探究了纯拉伸情况下PE层和钢带增强层的力学响应以及增强层在此受力过程中所起的作用。 4）SSRTP管在轴对称载荷作用下的理论模型研究 基于静力平衡，提出SSRTP管在轴对称载荷作用下计算其拉伸刚度的力学模型，该模型考虑了层间压力以及PE材料的弹塑性。并使用ABAQUS有限元模型及相关的实验数据验证了三组不同载荷工况下该理论模型计算SSRTP管力学响应的准确性。通过相关参数分析，得出了一些对工程实践有意义的结论。 5）SSRTP管的设计安全系数矫正 以SSRTP管在外压载荷作用的情况下为例，基可靠性分析方法矫正了SSRTP管的设计安全系数。通过引进目标可靠指标，联合使用Monte-Carlo以及一次二阶矩（FORM）的方法矫正了SSRTP管的分项安全系数。同时，研究了所得安全系数与SSRTP管中主要参数变量的变异系数关系以及不同分布类型的抗力和载荷对结果的影响。而后，给出SSRTP管在工程使用中的推荐设计安全系数值。该安全系数的矫正过程简单易懂，特别适用于所研究的问题中有大量的基本变量甚至要求迭代求解的力学模型。

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