深海復合材料懸鏈管線的時域疲勞分析及魯棒性優(yōu)化設計.pdf

1、隨著現(xiàn)有陸上及近海油氣資源儲量的日漸枯竭，再加上經(jīng)濟發(fā)展對油氣資源的需求更為緊迫，使得近年來油氣勘探開采區(qū)域逐漸由原來的淺海作業(yè)轉向深海發(fā)展。深海管線作為連接海上鉆井設備與水下井口裝置，實現(xiàn)深海油氣輸送的關鍵設備之一，一直得到科研工作者的高度關注。然而，隨著水深的逐漸加深，傳統(tǒng)鋼制管線的重量急劇上升，這就需要海上鉆井設備提供更高的預緊張力。此外，水深增加也使得水下管線部分承受著極大的水壓力。一般認為鋼制立管的水下開采極限深度不超過150

2、0米。然而，在已探明的海洋油氣資源中，有近三分之一是分布在水深超過1500米的極深甚至是超深水域中。為此，傳統(tǒng)鋼制立管將難以滿足深海油氣開采的需求，而具有更多性能優(yōu)勢的復合材料管線應運而生。復合材料管線不僅能夠保證具有與鋼制管線一樣的密閉性，還具有其獨特的優(yōu)勢所在，包括：材質輕、導熱系數(shù)低、良好的耐腐蝕及抗疲勞性能、高比強度與高比剛度等，這些優(yōu)越性能使復合材料管線能夠適應更深水域、具備更長的服役生命周期。
　　常見的復合材料管線主

3、要分為非粘結性柔性管線和粘結性剛性立管兩大類。其中，非粘結性柔性管線由可以相互滑移的性能增強層組成；而粘結性剛性立管則由核心增強層與纖維纏繞層構成。由于復合材料結構復雜，所處的深海環(huán)境又極為惡劣，因此對復合材料管線的設計也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先是多層非粘結性柔性管線的局部力學性能不清晰、層與層之間的力學關系難以描述以及各向異性的本構關系增加了分析的難度；其次是復合材料管線眾多的設計變量以及設計過程中巨大的時間代價；最后是復合材料管線服役環(huán)

4、境的多變性、結構性能的不確定性以及在制造安裝過程中的偏差性等問題都將導致管線在最后服役期間的安全可靠性得不到有效地保障。
　　本文針對深海復合材料管線面臨的諸多挑戰(zhàn)，進行了以下主要研究工作：
　　1.通過整體等效分析法對多層復合材料管線進行計算，得到整體拉伸剛度和彎曲剛度，建立等效后的有限元分析模型，求解相應的內力響應；再利用多層應力分配法，將整體內力響應轉換到各個復合材料結構層上，從而得到層與層的內力響應以及層間的相互關系

5、；最后通過Miner累積損傷理論和S-N曲線求得深海復合材料管線各個功能層的疲勞壽命，為精確求解復合材料管線疲勞壽命提供新的方法與思路。
　　2.針對復合材料設計變量多，設計耗時長的特點，本文采用整體-局部分析法在保證計算精度的前提下簡化了模型構建，提高了設計效率。利用經(jīng)典層合板理論進行整體分析，得到任意材料屬性、鋪角形式、疊層順序以及層合板厚度的復合材料管線的剛度矩陣及相應的等效模量，為后續(xù)的優(yōu)化設計提供重要的邊界依據(jù)。