阐述复合材料深海复合材料立管力学特性与优化设计

论文导读：料立管设计中其面对着诸多挑战：首先，复合材料各向异性的特点增加了设计的难度。对于各向同性材料，刚度和强度可用一个杨氏模量与泊松比给出，组合应力的强度判据仅需要一个强度参数数据；但对于复合材料来讲，单个铺层材料具有4个刚度参数和5个强度参数，多个铺层时刚度常数可以多到21个，强度参数为层数的5倍，故破坏准则已无法简
摘要：立管是深海油气资源开发的关键装备之一，随着近海油气田勘探开发逐渐向深海进展，传统的钢制立管难以满足设计要求。纤维增强复合材料作为深海钢立管设计的替代材料具有众多优势，如：高比强度、高比刚度、腐蚀性能好，热导率低以及抗疲劳能力强等等，由此在深海油气开发中复合材料立管运用前景诱人。由于利用复合材料对油田开采成本的缩减显著，金属材料立管向复合材料立管过渡已成为深海装备开发的走势。此外，立管重量的减轻直接减少了顶部张力，以而减少了平台尺度。并且随着水深不断增加，这种减重的影响会愈加突出。然而对于海洋工程结构，利用复合材料进行设计远不及利用金属材料成熟，由此有必要验证复合材料立管可以如钢制立管一样满足一定的设计要求。由于两者材料以及工艺的巨大差别，复合材料立管需要不同的设计策略，由此对于深海复合材料立管设计中其面对着诸多挑战：首先，复合材料各向异性的特点增加了设计的难度。对于各向同性材料，刚度和强度可用一个杨氏模量与泊松比给出，组合应力的强度判据仅需要一个强度参数数据；但对于复合材料来讲，单个铺层材料具有4个刚度参数和5个强度参数，多个铺层时刚度常数可以多到21个，强度参数为层数的5倍，故破坏准则已无法简化为标量形式。其次，复合材料立管的整体模型简化有着难点。海洋环境下立管整体动力浅析是确保安全性的条件之一，最常用手段是将其简化为梁单元进行有限元浅析。然而对于复合材料结构，由于其材料各向异性以及铺层设计的多变性使得其难以简化，如何将设计参数与立管宏观力学特性建立联系是设计中的另一难题。最后，复合材料立管的设计变量众多，刚度矩阵和强度准则判据复杂，由此在对其优化设计历程中需要耗费大量的计算资源。此外由于海洋环境中的立管在材料、尺寸、载荷等方面具有不确定性，由此导致的计算浅析结果均具有不确定性。为了深入了解复合材料立管的力学特性，对其设计变量中进行随机性可靠性浅析计算是必要的。针对上面陈述的三个关键的难题，本探讨探讨了纤维增强复合材料层合立管的宏观力学特性、强度破坏和局部屈曲的失效方式，并进行了优化设计和可靠度计算，主要工作如下：1.复合材料立管局部模型浅析及外压屈曲的可靠度浅析建立了刚性纤维增强复合材料层合立管局部数值模型，根据规范设计考虑了内压、外压、拉伸等载荷作用下的典型失效方式，其中，强度破坏考虑了纤维与基体的耦合影响；浅析了模型参数(材料、几何、铺层参数)对力学性论文导读：23-252.2.2经典层合板论述25-272.3复合材料管局部失效方式及设计计算27-36上一页123下一页
能的影响；针对外压屈曲临界载荷的计算，考虑了不同设计变量随机性的敏感度浅析。2.复合材料悬链线立管整体动力响应浅析根据复合材料层合论述计算立管的等效力学参数，并以其建立深水悬链线复合材料立管整体等效模型。考虑极限环境载荷的作用对悬链线立管进行整体动力浅析，得到了关键截面处的内力以及位移，为局部模型铺层参数的优化设计提供了载荷和边界条件。3.复合材料刚性立管的优化设计探讨利用遗传算法对承受内外压、轴向拉力、弯曲载荷的复合材料立管接头的铺层进行优化设计。复合材料结构设计变量和约束条件多、约束函数复杂，由此优化历程收敛缓慢。采取近似模型技术结合实验设计的策略可以显著提升优化效率。针对铺角设计中面对的多目标优化不足，利用此策略可以有效获得到帕累托前沿面，以而有效帮助设计者进行选择。本论新性的工作主要体现在：深海复合材料悬链线立管整体浅析策略的建立、复合材料立管设计中局部模型浅析与整体模型浅析的关联、复合材料立管设计变量随机性对屈曲性能的影响浅析以及将先进的优化策略与复合材料立管设计相结合。探讨通过层合论述得到复合材料立管截面的等效材料参数并建立全局模型；整体动力浅析表明顶部和触地区域为截面内力最大区域，是设计中的危险截面；将整体模型得到的截面内力加载到局部有限元模型中，考虑在强度和稳定性约束下的优化；通过随机性浅析对复合材料立管外压屈曲稳定性进行了可靠度评估，结果表明壁厚和铺角对复合材料立管外压屈曲性能影响最大。以上探讨结论对复合材料立管工程设计具有参考作用。关键词：深海论文复合材料立管论文多目标优化论文层合等效整体模型论文动力浅析论文可靠度计算论文
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Abstract8-14
第一章 绪论14-22

1.1 国内外探讨近况16-18

1.2 课题探讨作用18-19

1.3 主要探讨内容19-20

1.4 探讨特点20-22

第二章 海洋复合材料管局部模型浅析22-41

2.1 引言22-23

2.2 复合材料立管局部力学模型23-27

2.1 各向异性材料本构联系23-25

2.2 经典层合板论述25-27

2.3 复合材料管局部失效方式及设计计算27-36论文导读：

2.3.1 复合材料强度准则27-28

2.3.2 复合材料立管内压浅析28-30

2.3.3 复合材料立管外压屈曲浅析30-32

2.3.4 基于规范的强度设计策略32-36

2.4 复合材料管局部模型参数对力学性能影响36-39

2.4.1 特点值屈曲计算模型长度的选取36-37

2.4.2 材料属性的影响浅析37-39

2.5 本章小结39-41

第三章 复合材料悬链线立管整体动力浅析41-52

3.1 引言41

3.2 复合材料管截面等效论述41-43

3.

2.1 层合圆柱壳体轴向刚度计算42-43

3.

2.2 层合圆柱壳体弯曲刚度计算43

3.3 复合材料立管整体梁模型等效43-44

3.4 复合材料立管整体浅析44-50

3.4.1 复合材料悬链线立管44-49

3.4.2 不同海况下的整体浅析49-50

3.5 本章小结50-52

第四章 复合材料刚性立管优化浅析52-71

4.1 引言52-53

4.2 复合材料结构优化设计论述53-57

4.

2.1 复合材料立管初步设计54-55

4.

2.2 多岛遗传算法论述55-56

4.

2.3 多目标优化原理56-57

4.3 基于整体模型浅析的复合材料立管局部优化设计57-63
4.

3.1 大尺度细长立管结构整体-局部模型浅析策略58-59

4.

3.2 悬链线复合材料立管铺层优化设计59-63

4.4 复合材料铺角对立管内压、拉伸力学性能设计63-70

4.1 实验设计策略与近似模型技术63-66

4.2 复合材料铺角选择多目标优化66-70

4.5 本章小结70-71

第五章 复合材料立管屈曲可靠度性浅析71-79

5.1 引言71

5.2 可靠度浅析论述71-72

5.3 复合材料立管外压屈曲可靠度浅析流程72-73

5.4 复合材料立管外压屈曲可靠度浅析73-77

5.

4.1 模型精度浅析74-75

5.

4.2 铺层参数随机性对屈曲临界载荷的影响75-77

5.5 本章小结77-79
第六章 总结与展望79-81

6.1 全文总结79-80

6.2 探讨展望80-81

参考文献81-85
附录 1：图片目录85-87
附录 2：表格目录87-88
致谢88-89
攻读学位期间发表的学术论文89-90
攻读学位期间参与的科研项目90