深海立管的耦合动力分析及疲劳可靠性评估

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1、深海立管的耦合动力分析及疲劳可靠性评估CoupledDynamicAnalysisandFatigueReliabilityAssessmentofDeepseariser学科专业：船舶与海洋工程作者姓名：刘晓强指导教师：曾恒一教授天津大学建筑工程学院2017年12月摘要深海立管作为连接水面浮体和海底设备的关键结构，承担着海洋油气开采与输送的重要作用，是国家能源战略向深海发展的关键一环。深海环境的复杂性使得立管成为海洋油气开发系统的薄弱环节，迫切需要开展复杂模式下深海立管结构动力特性和安全可靠性研究，从而准确预

2、测立管的运动情况和评估其疲劳可靠性，为深海立管的设计和安全运行提供数据参考。本文采用理论计算和有限元模拟相结合的方法，旨在研究深海立管的动力响应和疲劳可靠性，并通过实例计算验证了方法的适用性和可靠性，得出有参考价值的结论：（1）建立了立管非线性振动方程，分析振动模型差异、外激励加载模式和内流粘性、速度等对立管动力响应的影响。研究发现，立管非线性梁模型的计算结果要大于线性梁模型；波流与平台运动联合作用和仅在平台运动作用下立管的各阶振型和振动幅值的差异较大，波浪和海流对立管的直接作用不可忽略；内流运动粘性和流速对立

3、管振动的影响很有限，且可以通过增大立管顶部预张力来抵消。（2）在Sesam/DeepC模块中建立了深海立管与张力腿平台的时域耦合分析模型，探究不同环境载荷方向、预张力和筋腱、立管数目对立管动力响应的影响。分析结果表明平台运动、顶部预张力大小和张力筋腱数目对立管的动力响应具有显著影响。（3）基于疲劳时域分析程序得到立管节点的疲劳寿命，并计算立管典型节点的疲劳可靠指标，分析了环境参数对立管疲劳可靠性的影响。计算结果表明，立管节点的疲劳寿命均大于设计寿命，大幅减小顶部预张力会明显增大立管的疲劳失效概率；立管疲劳可靠性

4、随波高、海流流速的增大而减小，随波浪周期的增大而增大。（4）提出改进的响应面法，有效解决立管疲劳可靠指标计算过程中可能出现的不收敛问题，且计算结果具有足够精度。基于改进响应面法分析了随机变量变异系数对立管疲劳可靠性的影响，计算结果显示随变量变异系数的增大，立管疲劳可靠指标均减小，并且变量B对立管疲劳可靠指标的影响要比A和大。关键词：深海立管，动力响应，疲劳可靠性，响应面法IIIABSTRACTDeepseariserconnectsfloatingbodyonwatersurfaceandsubseaequi

5、pmentasakeystructure,whichplaysanimportantroleinoffshoreoilandgasexploitationandoutput,anditisakeypartforthedevelopmentofnationalenergystrategytowardsthedeepsea.Thecomplexityofthedeepseaenvironmentmakestheriserbecomeaweaklinkinthedevelopmentofoffshoreoilandg

6、assystem.Therefore,it’surgenttocarryoutthedynamicbehaviorofdeepseariseranditsreliabilityundercomplexenvironmentinordertopredictaccuratelythemotionsituationoftheriserandevaluateitsfatiguereliability,whichcanprovidereferencedataforthedesignandsafeoperationofth

7、edeepseariser.Thispaperaimstostudythedynamicresponseandfatiguereliabilityofthedeepseariserbycombiningtheoreticalcalculationwithfiniteelementsimulation.Theapplicabilityandreliabilityofthemethodsareverifiedbytheexamples,andobtainssomeconclusionsthatareofgreatc

8、onsultablevalue:(1)Thenonlinearvibrationequationofmarineriserisestablishedtoanalyzetheinfluencesofvibrationmodeldifference,externalexcitationloadingmode,internalflowviscosityandvelocityonthedyna