防屈曲器結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化

新型屈曲抑制裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)1.屈曲問題背景以及解決其意義1.1.屈曲問題的研究背景隨著我國海洋石油開發(fā)逐漸向深海領(lǐng)域拓展，許多海洋工程中有關(guān)力學(xué)的問題，迫切需要人們?nèi)ソ鉀Q，而關(guān)于深水立管的屈曲和屈曲傳播問題的研究室其中最為困難卻最富特殊的一項(xiàng)研究課題。屈曲傳播問題將會(huì)嚴(yán)重阻礙管道的正常運(yùn)行，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。在國外，每修復(fù)一公里的海底管道，需要花費(fèi)大約150萬美元，因此屈曲傳播會(huì)給海上石油天然氣的開發(fā)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，控制立管的初始屈曲和屈曲傳播對于深水工程具有十分重要的意義。多年來，各國專家對屈曲傳播問題進(jìn)行了大量的、深入的研究，包括屈曲傳播的發(fā)生條件、傳播形式、傳播速度以及止屈措施圖1.1受屈曲傳播破壞的管道屈曲傳播是管道受外壓作用下產(chǎn)生的特有現(xiàn)象。外壓作用下的管道，如鋪設(shè)在海底的管道，受到外部靜水壓力作用時(shí)，可能引起管道的局部屈曲；當(dāng)管道的內(nèi)外壓差超過了一定極限，即屈曲傳播壓力，則該屈曲模態(tài)會(huì)在管道中傳播，這將使整個(gè)管道塌陷，導(dǎo)致管道整體結(jié)構(gòu)失效。同時(shí)值得注意的是，屈曲傳播的壓力遠(yuǎn)低于初始屈曲壓力。屈曲傳播現(xiàn)象說明管道的屈曲傳播產(chǎn)生在局部，而屈曲模態(tài)的形成也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，其邊界也是隨著屈曲模態(tài)的傳遞也是變動(dòng)的。屈曲傳播現(xiàn)象和發(fā)生機(jī)理都極其復(fù)雜，因此在屈曲傳播的研究中，實(shí)驗(yàn)工作比理

論工作進(jìn)展要快很多，一些不尋常的現(xiàn)象均在實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的，屈曲實(shí)驗(yàn)對一些因素的反應(yīng)很敏感，測試難度較大。其中研究屈曲傳播方面的著名專家S.Kyiakide做了大量的卓有成效的實(shí)驗(yàn)工作，有力的指導(dǎo)和推動(dòng)了屈曲傳播的理論研究工作。攵了理認(rèn)識(shí)仍不夠深入，還需要我們進(jìn)行進(jìn)一步的研究。攵了1.2.解決管道屈曲傳播問題的意義我國目前的深水工程技術(shù)與國際先進(jìn)水平相比還有很大差距，工程檢測與維護(hù)更是相形見細(xì)。2000年東海平湖輸油管道出現(xiàn)斷裂后，國內(nèi)相關(guān)單位用時(shí)一年多才完成修復(fù)。因此，正確的對管道進(jìn)行力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評估，既可以防止結(jié)構(gòu)失效帶來的經(jīng)濟(jì)損失與環(huán)境污染，又能有效的避免過早替換帶來的生產(chǎn)與成本問題。其中，屈曲傳播可能給海上石油、天然氣的生產(chǎn)帶來災(zāi)難性的損失，而且局部屈曲又是很難避免的，所以防止屈曲傳播的發(fā)生是研究工作的重中之重。海底輸油氣管道在鋪設(shè)過程中，海底與鋪管船之間的懸掛段經(jīng)常可能發(fā)生屈曲破壞。這種屈曲一旦在管道的小范圍內(nèi)形成，將會(huì)沿著管道迅速傳播出去，從而造成嚴(yán)重破壞。屈曲傳播有時(shí)可達(dá)幾公里。由屈曲傳播導(dǎo)致管道損壞的修復(fù)費(fèi)用每公里超過150萬美元。因此，控制管道的初始屈曲和屈曲傳播對于海底管道工程具有重要意義。本文基于屈曲傳播的經(jīng)典理論公式Palmer公式對海底管道屈曲及屈曲傳播的臨界壓力進(jìn)行估算；然后對設(shè)計(jì)的屈曲抑制器進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)值模擬和有限元分析，得到相應(yīng)結(jié)果；最后應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行編程，對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)解的計(jì)算公式。2.1模型的提出目前的屈曲抑制裝置主要是采用強(qiáng)度較大、柔性較弱的材料對管道進(jìn)行局部加粗來達(dá)到抑制屈曲傳播的目的，如圖2.1所示。雖然這種結(jié)構(gòu)能夠有效的抑制管道的屈曲傳播，但是他在一定程度上提高了管道的建造成本、增加了重量并且在給管道的安裝帶來了一定的難度。因此我們設(shè)計(jì)了一種新型的管道屈曲抑制裝置，在更為合理地解決管道屈曲傳播問題的基礎(chǔ)上，達(dá)到了降低建造成本、減輕重量的目的。這種新型的屈曲抑制由一個(gè)外環(huán)和8道斜壁構(gòu)成，設(shè)計(jì)簡圖如圖2.2所示。屈曲抑制器斜壁管道壁圖2.1傳統(tǒng)屈曲抑制裝置示意圖屈曲抑制器斜壁管道壁屈曲抑制器外環(huán)這種新型的屈曲抑制裝置，將原有壁厚增加部分的圓環(huán)在其長度的范圍內(nèi)改變成由一個(gè)薄壁圓環(huán)（壁厚與管道壁厚相等）和8道斜壁（壁厚與管道壁厚相等）組成的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)大大的減輕了抑制裝置的重量、節(jié)省了材料、降低了成本，并且屈曲傳播的抑制效果非常明顯，能夠很好的滿足實(shí)際工程需要。2.1.模型建立與相關(guān)計(jì)算根據(jù)傳統(tǒng)理論，對在沒有安裝屈曲抑制裝置的普通海底管道進(jìn)行屈曲分析，并建立有限元模型（半徑為0.4m，壁厚為0.02m）對其進(jìn)行屈曲評估，得到的典型應(yīng)變云圖圖如2.2所示。從圖中可以清楚地看到，在管道自由端沒有安裝屈曲抑制裝置時(shí)，屈曲首先發(fā)生在自由端，并且屈曲現(xiàn)象向內(nèi)傳播。圖2.2普通管道屈曲的典型應(yīng)變云圖為了證明新型屈曲抑制裝置的止屈效果，建立帶有屈曲抑制裝置的管道模型（管道半徑為0.4m，管道壁厚為0.02m，裝置外環(huán)半徑0.5m，裝置斜壁夾角120o,裝置壁厚均為0.02m，裝置長度為0.2m）。通過數(shù)值模擬進(jìn)行有限分析，得到的典型應(yīng)變云圖如圖2.3及2.4所示。

圖2.3帶有屈曲抑制裝置管道的典型應(yīng)變云圖（二）從圖中我們可以清楚地看到，管道屈曲的產(chǎn)生位置發(fā)生很大的改變，即不在產(chǎn)生在帶有屈曲抑制裝置的管道自由端產(chǎn)，而是生于管道的中部，且屈曲現(xiàn)象由初始位置向管道的兩邊傳播。也就是說，新型的屈曲抑制裝置起到了很好的屈曲傳播抑制作用。圖2.5為發(fā)生屈曲的管道模型橫截面典型應(yīng)變云圖，通過圖2.5我們可以清楚地看到設(shè)計(jì)的模型結(jié)構(gòu)（最外圈為一環(huán)狀物，四個(gè)方向均有立體三角支撐，已達(dá)到穩(wěn)定加固的作用）在屈曲發(fā)生時(shí)變形較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此，該新型的屈曲抑制裝置的止屈效果明顯，且能夠很大程度上的降低建造成本，減輕結(jié)構(gòu)重量，達(dá)到了進(jìn)行該設(shè)計(jì)的初始目的。3.模型求解k如壓界臨0.3095Ln(x)+7.4610 1530456090120150設(shè)計(jì)角度(degree)顯然，影響該新型屈曲限制裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素為三角結(jié)構(gòu)的頂角角度，抓住這一變量因素，我們將大量的數(shù)值計(jì)算結(jié)果通過Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以得到角度與新建模型的臨界壓力的函數(shù)關(guān)系式。通過對分析結(jié)果進(jìn)行對數(shù)回歸，我們最終找到了此新型結(jié)構(gòu)的最優(yōu)合理結(jié)構(gòu)，表2.1k如壓界臨0.3095Ln(x)+7.4610 1530456090120150設(shè)計(jì)角度(degree)表2.1設(shè)計(jì)角度與臨界壓力的關(guān)系表設(shè)計(jì)角度(degree)01530456090120150臨界壓力(Mpa)7.527.677.717.847.928.078.158.09 臨界壓力(Mpa) 對數(shù)(臨界壓力(Mpa))圖2.6數(shù)值模擬結(jié)果的對數(shù)回歸(外環(huán)半徑為0.5m，寬度為0.2m)通過對數(shù)回歸分析，得到的函數(shù)關(guān)系式為：y=0.3095Ln(x)+7.461根據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算，我們不難發(fā)現(xiàn)，針對本文分析的模型，當(dāng)我們選取角度為120o時(shí)可以得到該新型屈曲抑制裝置的最優(yōu)設(shè)計(jì)。綜上所述，通過本文的數(shù)值模擬、有限元分析及數(shù)據(jù)回歸相結(jié)合的