深海復(fù)合材料立管力學(xué)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、立管是深海油氣資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備之一,隨著近海油氣田勘探開(kāi)發(fā)逐漸向深海發(fā)展,傳統(tǒng)的鋼制立管難以滿足設(shè)計(jì)要求。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為深海鋼立管設(shè)計(jì)的替代材料具有眾多優(yōu)勢(shì),如:高比強(qiáng)度、高比剛度、腐蝕性能好,熱導(dǎo)率低以及抗疲勞能力強(qiáng)等等,因此在深海油氣開(kāi)發(fā)中復(fù)合材料立管應(yīng)用前景誘人。
　　由于使用復(fù)合材料對(duì)油田開(kāi)采成本的縮減顯著,金屬材料立管向復(fù)合材料立管過(guò)渡已成為深海裝備開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。此外,立管重量的減輕直接減少了頂部張力,從而減少了平

2、臺(tái)尺度。并且隨著水深不斷增加,這種減重的影響會(huì)愈加突出。然而對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu),使用復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)遠(yuǎn)不及使用金屬材料成熟,因此有必要驗(yàn)證復(fù)合材料立管可以如鋼制立管一樣滿足一定的設(shè)計(jì)要求。由于兩者材料以及工藝的巨大差別,復(fù)合材料立管需要不同的設(shè)計(jì)方法,因此對(duì)于深海復(fù)合材料立管設(shè)計(jì)中其面臨著諸多挑戰(zhàn):
　　首先,復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)增加了設(shè)計(jì)的難度。對(duì)于各向同性材料,剛度和強(qiáng)度可用一個(gè)楊氏模量與泊松比給出,組合應(yīng)力的強(qiáng)度判據(jù)僅需要一

3、個(gè)強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù);但對(duì)于復(fù)合材料來(lái)講,單個(gè)鋪層材料具有4個(gè)剛度參數(shù)和5個(gè)強(qiáng)度參數(shù),多個(gè)鋪層時(shí)剛度常數(shù)可以多到21個(gè),強(qiáng)度參數(shù)為層數(shù)的5倍,故破壞準(zhǔn)則已無(wú)法簡(jiǎn)化為標(biāo)量形式。
　　其次,復(fù)合材料立管的整體模型簡(jiǎn)化存在難點(diǎn)。海洋環(huán)境下立管整體動(dòng)力分析是確保安全性的條件之一,最常用手段是將其簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧M(jìn)行有限元分析。然而對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu),由于其材料各向異性以及鋪層設(shè)計(jì)的多變性使得其難以簡(jiǎn)化,如何將設(shè)計(jì)參數(shù)與立管宏觀力學(xué)特性建立聯(lián)系是設(shè)計(jì)中

4、的另一難題。
　　最后,復(fù)合材料立管的設(shè)計(jì)變量眾多,剛度矩陣和強(qiáng)度準(zhǔn)則判據(jù)復(fù)雜,因此在對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源。此外由于海洋環(huán)境中的立管在材料、尺寸、載荷等方面具有不確定性,由此導(dǎo)致的計(jì)算分析結(jié)果均具有不確定性。為了深入了解復(fù)合材料立管的力學(xué)特性,對(duì)其設(shè)計(jì)變量中進(jìn)行隨機(jī)性可靠性分析計(jì)算是必要的。
　　針對(duì)上述三個(gè)關(guān)鍵的難題,本研究探討了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合立管的宏觀力學(xué)特性、強(qiáng)度破壞和局部屈曲的失效模式,并進(jìn)

5、行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠度計(jì)算,主要工作如下:
　　1.復(fù)合材料立管局部模型分析及外壓屈曲的可靠度分析
　　建立了剛性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合立管局部數(shù)值模型,根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)考慮了內(nèi)壓、外壓、拉伸等載荷作用下的典型失效模式,其中,強(qiáng)度破壞考慮了纖維與基體的耦合影響;分析了模型參數(shù)(材料、幾何、鋪層參數(shù))對(duì)力學(xué)性能的影響;針對(duì)外壓屈曲臨界載荷的計(jì)算,考慮了不同設(shè)計(jì)變量隨機(jī)性的敏感度分析。
　　2.復(fù)合材料懸鏈線立管整體動(dòng)力響應(yīng)分析<

6、br>　　根據(jù)復(fù)合材料層合理論計(jì)算立管的等效力學(xué)參數(shù),并以其建立深水懸鏈線復(fù)合材料立管整體等效模型。考慮極限環(huán)境載荷的作用對(duì)懸鏈線立管進(jìn)行整體動(dòng)力分析,得到了關(guān)鍵截面處的內(nèi)力以及位移,為局部模型鋪層參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了載荷和邊界條件。
　　3.復(fù)合材料剛性立管的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
　　使用遺傳算法對(duì)承受內(nèi)外壓、軸向拉力、彎曲載荷的復(fù)合材料立管接頭的鋪層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量和約束條件多、約束函數(shù)復(fù)雜,因此優(yōu)化過(guò)程收斂緩

7、慢。采用近似模型技術(shù)結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法可以顯著提高優(yōu)化效率。針對(duì)鋪角設(shè)計(jì)中面臨的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,使用此方法可以有效獲得到帕累托前沿面,從而有效幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行選擇。
　　本文創(chuàng)新性的工作主要體現(xiàn)在:深海復(fù)合材料懸鏈線立管整體分析方法的建立、復(fù)合材料立管設(shè)計(jì)中局部模型分析與整體模型分析的關(guān)聯(lián)、復(fù)合材料立管設(shè)計(jì)變量隨機(jī)性對(duì)屈曲性能的影響分析以及將先進(jìn)的優(yōu)化方法與復(fù)合材料立管設(shè)計(jì)相結(jié)合。
　　研究通過(guò)層合理論得到復(fù)合材料立管截面的等