海洋柔性立管防弯器结构非线性刚度拓扑优化1)

范志瑞 杨志勋 许 琦 苏 琦 牛 斌 赵国忠

* (大连理工大学工程力学系,工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116024)

† (哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨 150001)

** (大连理工大学机械工程学院,大连 116024)

引言

海洋柔性立管是连接海上浮体及海底井口的关键装备,被誉为海洋浮式生产系统的“血管”[1-2].如图1 所示,在服役过程中,由于风浪流及浮体运动的作用,立管与浮体间的连接部位会因弯曲变形过大而造成结构的失效破坏.因此,防弯器在防止立管的过弯失效,以及提高立管结构安全性等方面具有重要的意义[3].

图1 柔性立管与防弯器结构示意图Fig.1 Schematic diagram about the flexible riser and bend stiffener

国内外学者对防弯器结构的分析方法做了大量研究,并提出了不同的结构分析模型.如Deruntz[4]所建立的细长梁分析模型,Boet 和Out[5]提出的变截面梁理论模型,Tong等[6]提出的斜拉力悬臂梁模型,以及Drobyshevski[7]建立的异形梁模型等.上述研究中多采用梁模型对防弯器结构开展性能分析,可有效降低防弯器结构建模和分析的成本.然而,梁结构的分析精度依赖于实际防弯器结构的长细比,特别对于深水应用的防弯器,当长细比较小时,采用梁结构可能会造成较大的分析误差.为了能够更加准确地获得防弯器性能,本文研究中将采用能够反映防弯器截面/整体真实构型的平面/实体有限元模型.

结构优化是提高防弯器结构性能的有效设计方法.Tanaka等[8]以柔性立管的最大曲率,以及防弯器尺寸、最大应变和端部最大弯矩为约束,采……