深水海底管道鋪設(shè)過(guò)程中管道變形及受力分析

0同作用中懸跨段受力分析在深水管道的鋪設(shè)過(guò)程中，不僅受到巨大壓力的壓力，而且受到軸向拉伸和彎曲的共同作用。用ANSYS軟件分析S型海底管道鋪設(shè)過(guò)程中懸跨段受力時(shí)常涉及到幾何非線性和接觸非線性,存在兩個(gè)難點(diǎn):(1)無(wú)法在求解問(wèn)題前確定接觸區(qū)域;(2)大多數(shù)接觸問(wèn)題需要計(jì)算摩擦,而摩擦使計(jì)算的收斂變得更加困難1分析ans的模型S型管道鋪設(shè)如圖1所示1.1s管道邊界條件的處理1.1.1海底大學(xué)生視閾內(nèi)傾角根據(jù)管道鋪設(shè)的特點(diǎn),管道在觸地點(diǎn)a處所受海底反力恰好為零。證明如下。以a為坐標(biāo)原點(diǎn),建立如圖2所示的坐標(biāo)系。設(shè)海底表面為剛性平面,傾角為α角。管道平直躺在海底平面上,故這段平躺在海底的管道的傾角θ為定值且等于α,且有式中S表示研究點(diǎn)x與管道觸地點(diǎn)a間管線的長(zhǎng)度。由于觸地點(diǎn)a處管道截面的剪力Q(28)H用ANSYS迭代確定a點(diǎn)位置時(shí),若迭代結(jié)果顯示支座對(duì)管道的反力向下,說(shuō)明所設(shè)定的a點(diǎn)在x>0的某個(gè)位置上;若支座反力向上,則說(shuō)明所假設(shè)的a點(diǎn)在x<0的某個(gè)位置上;若支座反力恰好為0,則a點(diǎn)正好就是所要求的管道觸地點(diǎn)。1.1.2管道內(nèi)安裝不確定如圖1所示,托管架對(duì)管道的支撐通過(guò)托輥承擔(dān)。在管道鋪設(shè)過(guò)程中,不同托輥的變形相差很小,故可假設(shè)托管架上管道各點(diǎn)切線與該處托管架切線相同。為了方便計(jì)算,設(shè)通過(guò)托管架及船上托輥的管道受到均勻分布的作用力圖3中T式中β為分離點(diǎn)b處管道與水平方向的夾角。式中L設(shè)管道任意點(diǎn)處的切線方向與水平方向成角度式中w(x)為單位長(zhǎng)度管重,對(duì)于水中的管段設(shè)b點(diǎn)到海面的鉛直距離為h,海平面到張緊器的鉛直距離為h聯(lián)立式(2)~式(5),同時(shí)注意到H對(duì)于確定的鋪管路線來(lái)說(shuō),管道與托管架的分離角度、懸跨段長(zhǎng)度和張緊力都是未知的。在本方法中,預(yù)先從小到大給出一系列水平力,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果選出適當(dāng)?shù)睦Ψ秶?然后求出相應(yīng)的分離角度β、懸跨段長(zhǎng)度L1.2anasas的計(jì)算分析流程結(jié)合上述邊界處理方法,本文采用pipe59單元模擬懸跨段管道變形,單元幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。Pipe59單元可以考慮軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲變形,同時(shí)具有浮力、波浪力與海流載荷的計(jì)算功能。該單元支持結(jié)構(gòu)的線性、非線性,以及靜力和動(dòng)力分析,并支持大位移與大變形。載荷計(jì)算中可以考慮管外壁上的附著層,其兩單元的連接較一般有限單元無(wú)特殊要求。ANSYS計(jì)算分析流程如圖5所示。將托輥對(duì)管道的支撐等效為彈簧支撐,如圖6所示。設(shè)托輥(1)、(2)、(3)……處托管架切向與水平方向的夾角分別為β2管道彎矩與水平方向的關(guān)系對(duì)于S型鋪設(shè)算例根據(jù)上面所述的方法,用ANSYS計(jì)算得管道懸跨段長(zhǎng)度與水平力的關(guān)系如圖7所示。管道脫離角與水平力的關(guān)系列于表2。根據(jù)上述數(shù)據(jù),用公式(6)計(jì)算張緊力與水平力的關(guān)系,如圖8所示。根據(jù)假設(shè),托管架上的管道彎矩是一個(gè)定值,本例托管架上的管道彎矩為-307.0kN·m。根據(jù)本例的水深,計(jì)算得懸跨段管道的最大彎矩與水平力的關(guān)系,如圖9所示。其中托管架上的管道彎矩取絕對(duì)值。當(dāng)給定張緊力T為驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性,表3給出了T管道變形及管道彎矩沿水平方向的變化分別如圖10和圖11所示。從這兩個(gè)圖可以看出,本文方法與文獻(xiàn)[6]所給結(jié)果基本一致。本文方法與OFFPIPE的主要區(qū)別在兩端點(diǎn)邊界上的處理,至于兩種軟件采用的單元結(jié)構(gòu)和單元矩陣是相似的。OFFPIPE在計(jì)算過(guò)程中須要考慮接觸問(wèn)題,而接觸問(wèn)題是高度非線性的,還須計(jì)算摩擦,從而使計(jì)算的收斂性和計(jì)算速度都受到嚴(yán)重影響。而本文的方法有效地避開了接觸問(wèn)題,從而其收斂性和計(jì)算速度明顯優(yōu)于OFFPIPE。同時(shí)由于本文采用的是通用商業(yè)程序(ANSYS),更便于推廣和技術(shù)人員掌握。3使用專用軟件本文給出了模擬海底管道鋪設(shè)過(guò)程受力的方法,重點(diǎn)在于管線兩端非線性邊界條件的處理。根據(jù)管道在觸地點(diǎn)處所受海底反力恰好為零的假設(shè),通過(guò)迭代尋找到管道觸地點(diǎn);根據(jù)給定的托管架形式,迭代求出管道與托管架的分離點(diǎn)。通過(guò)與公認(rèn)的專用軟件OFFPIPE計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,證明了方法的合理性和精度。同時(shí),由于本文方法有效地避開了接觸問(wèn)題,從而其收斂性和計(jì)算速度明顯優(yōu)于OFFPIPE。本文建議的方法適于模擬目前普遍采用的S型鋪設(shè)法,給出了張緊力、水平力、懸跨段彎矩、懸跨段長(zhǎng)度及管道與托管架的分離角之間的關(guān)系。據(jù)此工程人員可以根據(jù)所要控制的懸跨段彎矩計(jì)算得到所需的張緊力和入水角。施工模擬及實(shí)際施工過(guò)程中工程人員可通過(guò)相關(guān)的圖表確定各類參數(shù)的