载荷作用下非粘结柔性管本构行为研究

Unbonded flexible pipes are a novel sort of composite pipes, in which the mechanical behavior is difficult to describe under loads due to their structural complexity. It is of great significance to establish an effective way to illustrate their mechanical behavior under loads. Based on the constitutive theory, the theoretical and experimental investigations on the deformation mechanism of unbonded flexible pipes under multiple loads will proceed. In this project,the structural elasto-plastic consitutive equation will be established by the principle of strain superposition. Furthermore, the mechanical behavior will be obtained theoretically. The prediction model of equivalent elastic moduli of the Carcass layer, which is based on beam bending deformation theory and considering the geometric factors such as the wall thickness, the included angle and the side length of interlocked structure will be achieved. The mechanical behavior will also be analyzed numerically by the dynamic explicit algorithm, in which the interlayer friction and contact will be taken into account. Finally, experiments will be exerted to test the mechanical properties under tension, bending,internal and external pressures, at the same time the stiffness parameters will be obtained. Using these to further analyze the deformation mechanism. This project would provide useful theoretical basis for the application of the unbonded flexible pipes in offshore production engineering.

非粘结柔性管作为一种复合材料的管道，由于结构复杂，在载荷作用下其力学性能尚不明确，亟需确立柔性管在载荷作用下的力学性能。本项目以本构理论为基础，重点针对非粘结柔性管在载荷作用下的变形机理开展理论和试验的研究。通过应变叠加原理建立整体结构的弹-塑性本构模型，进行非粘结柔性管的理论模型研究。建立以梁的弯曲变形理论为基础，考虑互锁结构的壁厚、夹角以及边长等几何因素影响的Carcass层等效弹性模量理论预报模型。此外，选用动态显式算法，同时考虑结构层间摩擦和接触作用，对结构的非线性特性进行数值模拟分析。最后通过试验对非粘结柔性管在拉伸、弯曲和内、外压力的载荷作用下的力学性能进行测试，获得柔性管理论本构方程中的刚度参数，进一步解析结构的形变响应特征。本项目将在非粘结柔性管本构理论方面取得一定突破，为非粘结柔性管在深海采油中的广泛应用及国产化研究提供理论依据。

目前非粘结柔性管在深水中的应用日益广泛，但是由于结构自身形式复杂，在载荷作用下的力学性能尚不明确，本项目在深水柔性管相关性能研究方面，从弹塑性角度，基于能量原理，依据各层各向同性、各向异性在弯曲、拉伸、扭转载荷作用下分别建立各层本构方程，最后将各层的平衡方程综合起来，即可得出柔性管整体的平衡方程，确立非粘结柔性管本构模型的研究方法，从理论层面解决柔性管在载荷作用下的非线性特性，本构方程中的参数可以通过试验来获取，此本构模型减小了通过经典弹性模型计算带来的误差。Carcass层和自锁压力铠装层为正交各向异性材料，对于正交各向异性材料，在输入弹性模量时，需要给出9个独立的材料参数，分别为三个主轴的弹性模量、剪切弹性模量，以及三个泊松比。这9个参数不是采用材料的参数，而是与该层的具体结构形式有关，以往的研究常常忽视这方面，增大计算误差，本项目建立了以梁的弯曲变形理论为基础，应用应变叠加原理，考虑互锁结构的壁厚、夹角以及边长等几何因素影响的Carcass层及自锁压力铠装层等效弹性模量理论预报模型。该模型能够快速地进行Carcass层及自锁压力铠装层等效参量的计算，提高分析精度。进行柔性管结构非线性形变响应特征的数值模拟技术时，通过显式算法开发有限元分析非粘结柔性管在载荷条件下力学性能的模块化程序，根据层厚度不同，分别采用实体和壳单元结合建立模型，分析中考虑接触和摩擦影响，该程序采用平衡主—从算法，两次检测接触表面间是否发生侵彻，计算所得结果与已有实验结果吻合较好，能较快速直观地进行柔性管的力学性能分析，使计算精度提高5%，为非粘结柔性管力学性能的准确预报提供依据，此外进行了柔性管的拉伸、弯曲和外压试验，对于此类管子等大型构件国内外尚没有相关规范和指南，本项目通过反复操作，总结形成一套有关柔性管的试验规程和方法，在柔性管大型构件的模型试验技术领域取得创新成果，为进行此类大型构件的模型试验提供参考。