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原文传递深海柔性立管动力及力学性能实验分析

论文题名：	深海柔性立管动力及力学性能实验分析
关键词：	深海装备;柔性立管;力学性能;动力响应;疲劳分析;本构关系
摘要：	随着海洋资源的开发逐渐向深海迈进，深海装备的研发已成为近几年的热点。非粘结柔性立管由于其弯曲刚度小、质量轻、耐腐蚀以及抗疲劳性能强等特点，适用于深海恶劣的海况。然而，由于非粘结柔性立管结构的复杂性和深海环境载荷的复杂性，使得非粘结柔性立管在设计和服役过程中的结构失效分析面临很大的挑战。　　首先，非粘结柔性立管的局部结构由多层互相非粘结的功能层以及高分子层组成，层间可相互滑移、摩擦，造成了立管非线性的力学性能和特殊的本构关系；其次，其复杂的结构导致其拉伸刚度远远强于其弯曲刚度，致使其在求解动力响应问题过程中容易造成计算的不收敛，使得其动力响应难以准确求解；最后，由于柔性立管的疲劳破坏往往不是所有结构层同时发生，传统的疲劳寿命分析方法无法分析柔性立管结构多层的疲劳性能。　　本文针对非粘结柔性立管设计和运行中所遇到的挑战进行了详细的研究，主要的工作如下：　　1、运用新型简化模型对柔性立管的局部力学性能进行分析。　　非粘结柔性立管结构复杂，采用传统的实体建模的方法虽然能较为准确地对其力学性能进行评估，但是由于模型节点自由度数量巨大，此外还需考虑层间的接触和摩擦等非线性因素使得其计算成本十分高昂，而传统的简化模型忽略了立管层间的摩擦又无法反映非粘结柔性立管特殊的非线性本构关系。运用改进后的梁壳组合新型简化模型对非粘结柔性立管进行局部力学分析可以在保证计算精度的前提下大大减少计算成本，并能够准确反映其非线性的力学特性。　　2、提出运用多层应力分配法对非粘结柔性立管的本构关系进行分析。　　多层非粘结柔性结构物的本构关系一直是力学分析的难点，本文提出运用多层应力分配法，结合层间的接触关系和摩擦关系，引进滑移/粘滞模型，对立管的各层结构分别建立本构方程，并用之前建立的数值分析模型来进行验证。本构关系的建立是解决非粘结柔性立管力学问题的关键，也是后续疲劳分析的基础。　　3、提出了耦合单元法求解非粘结柔性立管的动力响应。　　针对非粘结柔性立管动力分析遇到的计算不收敛问题，推导并建立了适用于柔性结构物的总体动力分析方法。考虑到复杂的海洋环境载荷，采用时域动力分析的方法使结果更加准确。分别运用经典的静力算例和动力分析算例来验证提出方法的可靠性。并运用该方法求解了自由悬挂式立管的动力响应。　　4、采用多层疲劳寿命分析法求解非粘结柔性立管的疲劳寿命。　　针对传统方法无法求解非粘结柔性立管多层的疲劳寿命分析问题，结合前文的多层应力分配法，将总体的动力响应分配到各层中，再对立管所有的结构功能层进行疲劳寿命分析。并讨论了设计变量对非粘结柔性立管疲劳寿命计算的影响。
作者：	姜豪
专业：	船舶与海洋工程
导师：	杨和振
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文