非粘结柔性立管轴对称载荷作用下的理论模型分析

张海琛，佟丽莉，王丽君，沈羿充，刘浩

哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

海洋立管是指用于连接水面浮体和海床井口的隔水套管系统，是深海生产系统中最复杂的一类设备。非粘结柔性立管是由柔性管发展而来的，是一种多层复合壁管，各层管壁采用不同的材料制成，且在承受外部或内部载荷时，各层管壁相互间能够发生轻微的滑动，因此具有较低的弯曲刚度。因为柔性立管具有顺应性强、便于安装与回收、设计空间很大等优点，在深海中得到了广泛的应用。非粘结柔性立管常由多层不同的结构组成[1−2]。柔性立管所处的环境复杂，需要对于柔性管在各种荷载作用下进行分析研究，以保证立管的安全可靠。

针对柔性立管的截面静力分析，国内外学者展开了大量的研究。Felippe 等[3]和Chung 等[4]利用可以产生轴向变形、弯曲变形和扭转变形的三维梁单元来模拟管道模型，分析得出了海洋立管静态下的非线性平行构型方程。Witz 等[5]和Tan等[6]推导出了柔性管在弯曲荷载下的临界曲率以及螺旋条带的曲率表达式，以及柔性立管在未滑移阶段和完全滑移阶段的弯曲刚度。任少飞等[7−8]、陆钰天[9]和陈耕[10]根据最小势能原理推导出多层柔性立管的整体刚度矩阵。Yoo 等[11]考虑了柔性立管的非线性特性，使用整体刚度矩阵，计算了柔性立管的抗拉刚度。董磊磊等[12]基于能量法推导出了柔性立管结构分析模型。郭有松等[13]和陈希恰[14]基于静力平衡、变形协调、本构关系和层间接触关系，推导出了柔性立管轴对称响应的理论模型。……