含初始缺陷海底管线整体屈曲的分析与数值模拟-论文.pdf

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1、56卷第1期(总第212期)中国造船Vb1．56No．1(SefiaINo．212)2015年3月SHIPBUILDINGOFCHINAM8r．2015文章编号：1000-4882(2015)01．0159．09含初始缺陷海底管线整体屈曲的分析与数值模拟刘润，刘文彬，谭振东，闰澍旺(1．天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2．总后军事交通运输研究所，天津300"161)摘要海底管线是海上油气输送的基础设施。海底管线在制造和铺设过程中由于人为因素或海床的不平坦产生局部的弯曲变形，

2、称为几何初始缺陷，几何初始缺陷是海底管线发生整体屈曲的主要诱因，其变形形态可归纳为单拱对称模式和双拱反对称模式。论文综合运用模态分析法和显示动力法模拟含缺陷管线在温度应力作用下的整体屈曲，并将数值模拟的结果同经典解析解进行了对比。关键词：海底管线；初始缺陷；水平向整体屈曲；低阶模态；数值模拟中图分类号：TE58文献标识码：A0引言海底管线是一种高效、连续的输送手段。油气在海底管线的运输过程中，为了减少石蜡分馏产生的固化影响和降低运输难度，常被施加较高的温度和压力。温度应力和泊松效应使海底管线内壁产生较大

3、的附加应力[1】。由于地基土的约束作用，海底管线无法自由变形释放附加应力。当附加应力累计到一定程度时管线会产生类似于压杆失稳的整体屈曲，对管线的安全造成威胁【2J。Hobbs【3】首先将Ker【4j关于铁轨的研究成果应用于海底管线整体屈曲的研究中，提出了海底管线整体屈曲的4种经典模态如图1所示(本文将图1(a)和图1(b)称为低阶模态，将图1(c)和图1(d)称为高阶模态)。他在小变形和材料完全弹性假设条件下推导了管线整体屈曲的解析解。(a)一阶模态(b)二阶模态(c)三阶模态(d)四阶模态图1海底管线

4、整体屈曲的模态海底管线在制造和铺设过程中由于人为因素或海床的不平坦产生局部的弯曲变形，称为几何初始收稿日期：2015．01．31；修改稿收稿日期：2015-02．16’基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2014CB046800)：国家自然科学基金优秀青年基金(51322904)：高等学校博士学科点专项科研基金(20130032110074)中国造船学术论文缺陷[。Taylor和Gan[】考虑了土抗力在管线变形过程中的变化，推导了具有初始几何缺陷海底管线水平向整体屈曲的低阶模态解析解。Ta

5、ylor[】根据管线的受力特点建立了新的海底管线水平向整体屈曲的力学模型，并改进了之前的解析解结果。Taylor~8】等还提出了三种不同模式的缺陷形式，并给出了不同缺陷形式下管线临界屈曲荷载的计算公式，但研究过程中没有考虑海底管线形成几何初始缺陷引起的残余应力对临界屈曲荷载的影响。Villarmga[9】等建立了埋设管线的非线性有限元模型，对非线性地基土约束作用下含几何初始缺陷管线的竖直向整体屈曲变形进行了数值模拟。Bruton【lUJ等基于非线性有限元分析，揭示了整体屈曲形成的机理并指出管线内部轴力、

6、管线的初始几何缺陷和土体对管线的约束力是决定管线整体屈曲形态的主要因素。Konuk[11】运用2D和3D数值分析方法研究了海底管线水平向整体屈曲中管．土相互作用过程及管线直径和重量对屈曲形态的影响。Carlos[121根据(DNV-OS-F101》LJljJ中管线整体屈曲的控制标准，以实际工程为背景运用有限元方法提出了确定模拟海底管线整体屈曲适宜计算长度的方法。Walker[H】建立了VirtualAnchorSpacing(简称VAS)有限元模型，分析材料特性及水平摩阻力对管线整体屈曲的影响，指出管线

7、屈曲的最大应力受VAS模型长度及水平摩阻力的影响较大。Cumming[】运用有限元模型分析最大摩擦力作用下管线的滑动位移与管线铺设偏角对管线屈曲力的影响。Wang[】运用大变形有限软件模拟管线发生水平向整体屈曲时管线与土体的相互作用，分析管一土相互作用中土体的拱起及土坝对管线水平抗力的影响。Karampour【l7】基于非线性有限元软件分析管线几何初始缺陷对水平向或竖直向整体屈曲的影响。在数值模拟中，一般是通过设定缺陷幅值与波长的大小，将几何初始缺陷引入计算模型中，如Konuk⋯】，Newson[】，刘

8、润【l9]的数值模拟研究。刘润还运用四种有限元方法模拟海底管线水平向的整体屈曲[2们。本文运用模态分析法引入海底管线最容易产生的几何初始缺陷，运用显示动力法模拟含缺陷管线在温度应力作用下的整体屈曲。将数值模拟的结果同经典解析解进行对比，分析含缺陷管线整体屈曲的特性，指出数值模拟法同经典解析解法的差异。1缺陷管线整体屈曲的数值模拟方法近年来，有限元法得到了广泛应用，它可以较真实的模拟工程实际情况。在有限元法中不一定要使用解析解的各种假定和简化