深水海底管道铺设过程中管道变形及受力分析

深水海底管道铺设过程中管道变形及受力分析

0同作用中悬跨段受力分析在深水管道的铺设过程中，不仅受到巨大压力的压力，而且受到轴向拉伸和弯曲的共同作用。用ANSYS软件分析S型海底管道铺设过程中悬跨段受力时常涉及到几何非线性和接触非线性,存在两个难点:(1)无法在求解问题前确定接触区域;(2)大多数接触问题需要计算摩擦,而摩擦使计算的收敛变得更加困难1分析ans的模型S型管道铺设如图1所示1.1s管道边界条件的处理1.1.1海底大学生视阈内倾角根据管道铺设的特点,管道在触地点a处所受海底反力恰好为零。证明如下。以a为坐标原点,建立如图2所示的坐标系。设海底表面为刚性平面,倾角为α角。管道平直躺在海底平面上,故这段平躺在海底的管道的倾角θ为定值且等于α,且有式中S表示研究点x与管道触地点a间管线的长度。由于触地点a处管道截面的剪力Q(28)H用ANSYS迭代确定a点位置时,若迭代结果显示支座对管道的反力向下,说明所设定的a点在x>0的某个位置上;若支座反力向上,则说明所假设的a点在x<0的某个位置上;若支座反力恰好为0,则a点正好就是所要求的管道触地点。1.1.2管道内安装不确定如图1所示,托管架对管道的支撑通过托辊承担。在管道铺设过程中,不同托辊的变形相差很小,故可假设托管架上管道各点切线与该处托管架切线相同。为了方便计算,设通过托管架及船上托辊的管道受到均匀分布的作用力图3中T式中β为分离点b处管道与水平方向的夹角。式中L设管道任意点处的切线方向与水平方向成角度式中w(x)为单位长度管重,对于水中的管段设b点到海面的铅直距离为h,海平面到张紧器的铅直距离为h联立式(2)~式(5),同时注意到H对于确定的铺管路线来说,管道与托管架的分离角度、悬跨段长度和张紧力都是未知的。在本方法中,预先从小到大给出一系列水平力,再根据计算结果选出适当的拉力范围,然后求出相应的分离角度β、悬跨段长度L1.2anasas的计算分析流程结合上述边界处理方法,本文采用pipe59单元模拟悬跨段管道变形,单元几何结构如图4所示。Pipe59单元可以考虑轴向拉压、扭转、弯曲变形,同时具有浮力、波浪力与海流载荷的计算功能。该单元支持结构的线性、非线性,以及静力和动力分析,并支持大位移与大变形。载荷计算中可以考虑管外壁上的附着层,其两单元的连接较一般有限单元无特殊要求。ANSYS计算分析流程如图5所示。将托辊对管道的支撑等效为弹簧支撑,如图6所示。设托辊(1)、(2)、(3)……处托管架切向与水平方向的夹角分别为β2管道弯矩与水平方向的关系对于S型铺设算例根据上面所述的方法,用ANSYS计算得管道悬跨段长度与水平力的关系如图7所示。管道脱离角与水平力的关系列于表2。根据上述数据,用公式(6)计算张紧力与水平力的关系,如图8所示。根据假设,托管架上的管道弯矩是一个定值,本例托管架上的管道弯矩为-307.0kN·m。根据本例的水深,计算得悬跨段管道的最大弯矩与水平力的关系,如图9所示。其中托管架上的管道弯矩取绝对值。当给定张紧力T为验证本文方法的准确性,表3给出了T管道变形及管道弯矩沿水平方向的变化分别如图10和图11所示。从这两个图可以看出,本文方法与文献[6]所给结果基本一致。本文方法与OFFPIPE的主要区别在两端点边界上的处理,至于两种软件采用的单元结构和单元矩阵是相似的。OFFPIPE在计算过程中须要考虑接触问题,而接触问题是高度非线性的,还须计算摩擦,从而使计算的收敛性和计算速度都受到严重影响。而本文的方法有效地避开了接触问题,从而其收敛性和计算速度明显优于OFFPIPE。同时由于本文采用的是通用商业程序(ANSYS),更便于推广和技术人员掌握。3使用专用软件本文给出了模拟海底管道铺设过程受力的方法,重点在于管线两端非线性边界条件的处理。根据管道在触地点处所受海底反力恰好为零的假设,通过迭代寻找到管道触地点;根据给定的托管架形式,迭代求出管道与托管架的分离点。通过与公认的专用软件OFFPIPE计算结果的对比,证明了方法的合理性和精度。同时,由于本文方法有效地避开了接触问题,从而其收敛性和计算速度明显优于OFFPIPE。本文建议的方法适于模拟目前普遍采用的S型铺设法,给出了张紧力、水平力、悬跨段弯矩、悬跨段长度及管道与托管架的分离角之间的关系。据此工程人员可以根据所要控制的悬跨段弯矩计算得到所需的张紧力和入水角。施工模拟及实际施工过程中工程人员可通过相关的图表确定各类参数的