海洋柔性管力學(xué)分析

柔性立管的力學(xué)特性分析立管基本參數(shù)在各種非粘結(jié)柔性立管中，某2.5英寸內(nèi)徑八層結(jié)構(gòu)的立管，是諸多機(jī)構(gòu)和學(xué)者研究分析較多的立管結(jié)構(gòu)。國際船舶與海洋結(jié)構(gòu)大會(huì)（ISSC）曾針對這一尺寸的柔性立管展開了在軸對稱載荷（拉伸、扭轉(zhuǎn)）與彎曲載荷下的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。此后，多家研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者以同一柔性立管為實(shí)驗(yàn)對象，開展了相關(guān)截面力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)。Witz在1996年發(fā)表的文獻(xiàn)[1]對國際船舶與海洋結(jié)構(gòu)大會(huì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)（包括所選立管基本參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果等）進(jìn)行了描述，并記錄了大會(huì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及多家機(jī)構(gòu)與學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，這篇文獻(xiàn)對于柔性立管試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄是比較詳細(xì)的，具有一定權(quán)威性。本文將選擇基于該文獻(xiàn)介紹的立管基本參數(shù)，作為數(shù)值模擬分析的基本數(shù)據(jù)。表1.1某2.5英寸內(nèi)徑非粘結(jié)柔性立管基本參數(shù)層名稱幾何及材料參數(shù)第一層：骨架層（Carcass）材料：AISI304內(nèi)徑D=63.2mm，厚度t=3.5mm纏繞角度:87.5°，截面尺寸：寬：28mm厚：T=0.7mm，截面面積A19.6mm2扭轉(zhuǎn)慣性矩It=20mm4徑向慣性矩Ir=556mm4切向慣性矩Ib=6.5mm4第二層：防滲漏層（FluidBarrier）材料：Nylon12內(nèi)徑D=70.2mm，厚度t=4.9mm第三層：抗壓鎧裝層（PressureArmour）材料：FI15內(nèi)徑D=80.1mm，厚度t=6.2mm纏繞角度：85.5°截面尺寸：寬：9.25mm，厚：6.2mm截面面積A=51.5mm2，扭轉(zhuǎn)慣性矩It=100mm4徑向慣性矩Ir=771mm4切向慣性矩Ib=204.6mm4第四層：防摩擦層1（Anti-wearLayer1）材料：Nylon11內(nèi)徑D=92.5mm，厚度t=1.5mm截面尺寸：寬：30mm，厚：1.5mm纏繞角度：84.2°第五層：內(nèi)部抗拉鎧裝層（InternaltensileArmour）材料：FI41內(nèi)徑：D=95.5mm，厚度t=3.0mm截面尺寸：寬:6mm,厚：3mm纏繞角度：35°，條數(shù)：40第六層：防摩擦層2（Anti-wearLayer2）材料：Nylon11內(nèi)徑D=101.5mm，厚度t=1.5mm截面尺寸：寬：30mm，厚：1.5mm纏繞角度：84.7°第七層：外部抗拉鎧裝層（OuterTensileArmour）材料：FI41內(nèi)徑D=104.5mm，厚度t=3.0mm截面尺寸：寬：6mm，厚：3.0mm纏繞角度：35°，條數(shù)：44第八層：外護(hù)套層（OuterSheath）材料:Polymer內(nèi)徑D=110.5mm，厚度t=0.5mm截面尺寸：寬：75mm，厚0.06mm纏繞角度：84°柔性立管各層管道采用的材料參數(shù)如表1.2所示：表1.2相關(guān)的材料參數(shù)材料密度（×103kg/m3彈性模量（MPa）泊松比AISI3048.641.9E50.3Nylon121.032.84E20.3Nylon111.033.01E20.3FI15與FI417.862.07E50.3Polymer0.8036.00E20.3計(jì)算工況設(shè)置表2.1柔性立管計(jì)算載荷及工況設(shè)置計(jì)算工況載荷幅值參考點(diǎn)1邊界條件參考點(diǎn)2邊界條件拉伸500kN剛性固定限制軸向旋轉(zhuǎn)自由度扭轉(zhuǎn)1（逆時(shí)針）4000Nm剛性固定限制軸向位移扭轉(zhuǎn)2（順時(shí)針）4000Nm剛性固定限制軸向位移彎曲1500Nm（彎矩）剛性固定限制應(yīng)變能以外自由度有限元分析的結(jié)果與討論3.1軸向拉伸通過有限元計(jì)算，我們得出了柔性管在受到大小為500kN的軸向拉力、端部限制扭轉(zhuǎn)情況下的位移響應(yīng)。根據(jù)ANAQUS輸出的參考點(diǎn)的時(shí)間一位移曲線，加以處理我們可以得出相應(yīng)的載荷一應(yīng)變圖，如圖3.1所示。其中紅色的曲線為有限元計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色的曲線為文獻(xiàn)[1]中所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。通過圖3.1我們可以看出，有限元的計(jì)算結(jié)果在應(yīng)變值為一左右時(shí)，曲線的斜率非常小，也就是管道的軸向剛度很小，這與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相差較大。通過分析我們得出原因是：在拉伸工況中，（根據(jù)圖3.2、圖3.3所示）承擔(dān)載荷的主要構(gòu)件為拉伸鎧裝層，然而在建立有限元模型時(shí)，模型的各層之間存在一定的初始間隙，而且在載荷剛剛施加的時(shí)候，拉伸鎧裝層還未處于張緊狀態(tài)、各層之間未達(dá)到緊密接觸，此時(shí)柔性管的整體拉伸剛度較??；在軸向拉力的作用下，拉伸鎧裝層逐步張緊，各層之間的旬隙逐步消失，結(jié)構(gòu)間的力得到較好的傳遞，而此時(shí)模型整體所呈現(xiàn)出的位移響應(yīng)才能是正確的值。根據(jù)圖3.1我們得出實(shí)驗(yàn)值測得的柔性管端部限制扭轉(zhuǎn)情況下的軸向拉伸剛度的平均值為83.013MN而有限元計(jì)算結(jié)果在平穩(wěn)區(qū)域的平均值為73.163MN有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比誤差為11.87%，結(jié)果較為理想。圖3.1拉伸工況下，柔性管實(shí)驗(yàn)與有限元求解的拉力一延伸率曲線圖3.2整體有限元模型的等效應(yīng)力分布圖圖3.2、圖3.3為管道的等效應(yīng)力分布圖?從中我們可以看出，在拉伸工況時(shí)承擔(dān)載荷的主要構(gòu)件為兩層拉伸鎧裝層以及Carcass層，其他各層的強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小。圖3.3拉伸鎧裝層的等效應(yīng)力分布圖為了監(jiān)測準(zhǔn)靜態(tài)模擬結(jié)果的可靠性，我們輸出了整個(gè)模型的能量時(shí)歷曲線，如圖3.4所示。從圖3.4中，我們可以看出在整個(gè)加載過程中，動(dòng)能相對于內(nèi)能一直幾乎為零，所以可視為準(zhǔn)靜態(tài)模擬，并且虛應(yīng)變能（即沙漏能）較小?其與內(nèi)能的比值未超過10%因此，計(jì)算結(jié)果可信。圖3.4模型整體的內(nèi)能、動(dòng)能、虛應(yīng)變能時(shí)間歷程曲線3.2軸向扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)工況一：通過有限元計(jì)算，我們得出了柔性管在端部受到順時(shí)針方向、大小為2000N?m的軸向扭矩、并且限制管道軸向伸縮情況下的位移響應(yīng)。通過軟件輸出的幾何參考點(diǎn)的時(shí)間一位移曲線，處理之后我們可以得出相應(yīng)的載荷一角應(yīng)變曲線，如圖3.5所示。其中紅色的曲線為有限元計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色曲線為文獻(xiàn)[1]中所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。通過取平均值處理后，我們可以得到柔性管順時(shí)針扭轉(zhuǎn)剛度的實(shí)驗(yàn)值與有限元計(jì)算值分別為275.58KN?m、235.04KN?m與實(shí)驗(yàn)值相比，圖3.5順時(shí)針扭轉(zhuǎn)工況下，柔性管實(shí)驗(yàn)與有限元求解的扭矩一轉(zhuǎn)動(dòng)弧度曲線通過圖3.6與圖3.7，我們可以看出，在順時(shí)針扭轉(zhuǎn)工況下，承擔(dān)扭矩的主要構(gòu)件為Carcass層，其次為拉伸鎧裝層。并且通過觀察圖3.8，模型整體的動(dòng)能、虛應(yīng)變能（沙漏能）在加載過程中與內(nèi)能相比一直很小，從而保證了準(zhǔn)靜態(tài)模擬的可信度。圖3.6整體有限元模型的等效應(yīng)力分布圖圖3.7拉伸鎧裝層與聚合物層的等效應(yīng)力分布圖圖3.8模型整體的內(nèi)能、動(dòng)能、虛應(yīng)變能時(shí)間歷程曲線扭轉(zhuǎn)工況二：通過有限元計(jì)算，我們得出了柔性管在端部受到逆時(shí)針方向、大小為4000N·m的軸向扭矩、并且限制管道軸向伸縮情況下的位移響應(yīng)。根據(jù)軟件輸出的參考點(diǎn)的時(shí)間一位移曲線，我們可以得出相應(yīng)的載荷一角應(yīng)變曲線，如圖3.9所示。其中紅色的曲線為有限元計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色曲線為文獻(xiàn)[1]中所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。通過圖3.9我們發(fā)現(xiàn)在逆時(shí)針加載工況下，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差的較大，其結(jié)果分別為184.82N·m、111.06N·m，與實(shí)驗(yàn)值相比，有限元計(jì)算結(jié)果的誤差達(dá)到了66.5%，模擬偏差較大。圖3.9逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)工況下，柔性管實(shí)驗(yàn)與有限元求解的扭矩一轉(zhuǎn)動(dòng)弧度曲線通過圖3.10至圖3.12的比較我們可以發(fā)現(xiàn)，在逆時(shí)針軸向扭轉(zhuǎn)工況下，承擔(dān)扭矩的主要構(gòu)件為拉伸鎧裝層，其次為Carcass層，這與順時(shí)針扭轉(zhuǎn)工況有些許不同，而且此時(shí)第二層拉伸鎧裝層處于張緊的狀態(tài)。并且在此工況中，模型的虛應(yīng)變能（沙漏能）、動(dòng)能也都得到了很好的控制如圖3.13巧所示。圖3.10整體有限元模型的等效應(yīng)力分布圖圖3.11拉伸鎧裝層與聚合物層的等效應(yīng)力分布圖圖3.12Carcass層的等效應(yīng)力分布圖圖3.13模型整體的內(nèi)能、動(dòng)能、虛應(yīng)變能時(shí)間歷程曲線3.3純彎曲通過有限元計(jì)算?我們得出了柔性管在一端剛性固定，另一端受到大小為1500N·m彎矩情況下的位移響應(yīng)。根據(jù)有限元軟件輸出的各個(gè)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)，加以處理我們便可以得到有限元法求解的彎矩一曲率曲線，如圖3.14所示。其中紅色的曲線為有限元計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色曲線為文獻(xiàn)[1]中所提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)值。從圖3.14中我們可以看出,在起始時(shí)刻有限元計(jì)算得出的剛度值與實(shí)驗(yàn)值相比偏小，這是由于模型中的拉伸鎧裝層在加載的起始時(shí)刻未處于張緊狀態(tài)，隨著載荷的增加，拉伸鎧裝層逐步張緊并開始漸漸發(fā)生部分滑移，完全滑移，最后達(dá)到穩(wěn)定，而此時(shí)所得到的剛度值與實(shí)驗(yàn)值較為接近。通過取平均值處理后，我們可以得到柔性管彎曲剛度的實(shí)驗(yàn)值與有限元計(jì)算值分別為：1342.12Nm2、1816.72Nm2，與實(shí)驗(yàn)值相比，有限元計(jì)算結(jié)果的誤差為35.36%。圖3.14彎曲工況下，柔性管實(shí)驗(yàn)與有限元求解的彎矩一曲率曲線通過圖3.15與圖3.16，我們可以看出在彎曲工況下，承擔(dān)載荷的主要構(gòu)件為Carcass層和拉伸鎧裝層，其中拉伸鎧裝層的應(yīng)力分布呈周期性變化。并且如圖3.18所示，在此工況中，模型的虛應(yīng)變能（沙漏能）、動(dòng)能也都得到了很好的控制。圖3.15整體有限元模型的等效應(yīng)力分布圖圖3.16拉伸鎧裝層與聚合物層的等效應(yīng)力分布圖圖3.17柔性管縱剖面的等效應(yīng)力分布云圖圖3.18模型整體的內(nèi)能、動(dòng)能、虛應(yīng)變能時(shí)間歷程曲線3.4計(jì)算總結(jié)經(jīng)過對有限元計(jì)算結(jié)果的處理總結(jié)?我們將各個(gè)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了列表，如表3.1所示表3.1結(jié)果統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)值FEM結(jié)果偏差主要承載構(gòu)件軸向拉伸剛度83.013MN73.163MN11.87%拉伸鎧裝層軸向順時(shí)針扭轉(zhuǎn)剛度275.58KN?m235.04KN?m14.71%Carcass層軸向逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)剛度184.92KN?m111.06KN?m66.5%拉伸鎧裝層純彎曲剛度1342.12KN?m1816.72KN?m35.36%Carcass層結(jié)果總結(jié):在軸向拉伸工況下，柔性管中主要承擔(dān)載荷的部件為螺旋纏繞的拉伸鎧裝層，其次為Carcass層，而其他結(jié)構(gòu)對于軸向張力承受得較少。并且通過對有限元結(jié)果的觀察我們發(fā)現(xiàn)，有限元結(jié)果在載荷加載初期表現(xiàn)出來的軸向拉伸剛度較實(shí)驗(yàn)值小得多，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這是由于模型存在的初始間隙以及拉伸鎧裝層在載荷作用下從松弛狀態(tài)逐漸達(dá)到張緊、從發(fā)生滑移到無相對移動(dòng)的過程所造成的。在軸向扭轉(zhuǎn)工況下，對于順時(shí)針扭矩和逆時(shí)針扭矩，柔性管所呈現(xiàn)出的扭轉(zhuǎn)剛度是不一樣的，這也與實(shí)驗(yàn)值所吻合。有限元結(jié)果表明，在順時(shí)針扭轉(zhuǎn)工況下，內(nèi)側(cè)拉伸鎧裝層將逐漸張緊，而外側(cè)拉伸鎧裝層則逐漸松弛，并發(fā)生了局部屈曲現(xiàn)象，此時(shí)結(jié)構(gòu)中承擔(dān)載荷的主要構(gòu)件為Carcass層；在逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)工況下，外側(cè)拉伸鎧裝層逐步張緊，而內(nèi)側(cè)拉