水下生产系统动态脐带缆力学特性研究

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1、水下生产系统动态脐带缆力学特性研究InvestigationofMechanicsPropertyofDynamicUmbilicalofSubseaProductionSystem工程领域：船舶与海洋工程作者姓名：冯雅萍指导教师：李英副研究员企业导师：李晔高级工程师天津大学建筑工程学院二零一七年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工

2、作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要水下生产系统是目前深水油气开采的重要生产模式，具有巨大的应用前景，而动态脐

3、带缆作为连接上部浮体与水下生产设备的通道，是水下生产系统的关键设备之一。脐带缆的弯曲刚度是衡量其力学性能的重要指标之一，脐带缆的弯曲刚度的准确评估是强度和疲劳设计的基础。由于脐带缆内部的螺旋结构的存在，使得内部构件之间的滑移严重影响脐带缆的弯曲性能。首先，本文针对一阶螺旋结构，应用Frenet标架和Darboux标架分别建立螺旋曲线弯曲变形前后空间的坐标系，推导弯曲载荷作用下螺旋结构的局部变形，考虑螺旋结构与内层构件的接触和摩擦作用，建立单层及双层螺旋结构的非线性偏微分平衡方程组，并研究了螺旋角和摩擦系数对螺旋结构滑移的影响。研究结果表

4、明，螺旋结构的滑移变化随螺旋极角呈类似三角函数的周期性变化；切向和副法向滑移随螺旋角增大而减小，随摩擦系数增大而减小。在螺旋结构内部相互作用研究的基础上，以我国自主研发的目标脐带缆初样为原型研究了脐带缆的弯曲性能。分别建立无铠装脐带缆和铠装脐带缆数学模型，基于螺旋结构的微分平衡方程，首先分析了内部螺旋结构的局部滑移及受力，对比了内、外层铠装钢丝的滑移和受力区别。通过推导脐带缆的弯矩—曲率关系得出纯弯曲载荷作用下脐带缆的弯曲刚度。为了验证弯曲刚度的理论结果，应用ABAQUS有限元软件建立无铠装脐带缆和双层铠装脐带缆的有限元模型，模拟脐带缆

5、的受弯曲载荷作用的变化过程，拟合脐带缆弯曲变形后的形状函数，应用其弯矩—曲率曲线分析脐带缆的弯曲刚度。对比结果表明，本文所提出的理论分析方法在全滑动阶段与有限元模拟的弯曲刚度比较接近，能够实现脐带缆弯曲性能的快速评估，为脐带缆的初步设计阶段提供理论基础。关键词：脐带缆，滑移，摩擦作用，偏微分方程，弯曲刚度IABSTRACTSubseaproductionsystemisanimportantproductionmodefordeepwateroilandgasexploitation,whichhasgreatprospectofapp

6、lication.Dynamicumbilicalisoneofthekeyequipmentofsubseaproductionsystem,whichisusedasachanneltoconnectupperfloatingplatformandsubseaproductionequipment.Thebendingstiffnessisanimportantindexofthemechanicalpropertiesofumbilical.Theaccuratepredictionisthebasisofstrengthandf

7、atiguedesign.Duetothehelixstructuresintheumbilical,theslipbetweenumbilical'sinternalcomponentshasseriouseffectsontheflexuralpropertyofumbilical.Thefirst-orderhelicalstructurewasstudiedfirst.ItscoordinatesystembeforeandafterthebendingdeformationwasestablishedbyFrenetframe

8、andDarbouxframerespectively,andtheexpressionofthelocalcurvatureanditsvariationwerededuced.Thenonlineard