双拱初始缺陷海底管线水平向整体屈曲数值模拟分析

为了研究具有双拱反对称初始缺陷海底管线的整体屈曲特性,采用模态分析法将最可能出现的缺陷形态引入数值分析模型中。针对管线在高温高压作用下发生整体屈曲的动态变形特征,运用显式动力数值模拟方法研究了管线整体屈曲过程中水平向变形与轴向变形随温度和内压的变化规律,建立了在整体屈曲过程中屈曲管段与滑动管段轴力的变化过程与初始缺陷形态的关系。将数值模拟结果同经典解析解和室内模型实验结果进行对比,验证了本方法的可靠性。工程算例的分析结果表明,管线整体屈曲的发生是一个由低阶向高阶发展的过程,具有双拱缺陷的管线首先发生二阶模态的整体屈曲,而后过渡到四阶模态;管线整体屈曲的变形包括屈曲段的水平向变形和滑动管段的轴向缩进,其中水平变形释放了管壁内的轴力,轴力的释放量随初始缺陷尖锐程度的降低而增大;轴向缩进变形由于受到地基土的摩阻力使滑动管段内的轴力发生累积,轴力的累积量随初始缺陷的尖锐程度的降低而增加。以上研究成果对指导实际工程具有现实意义。

双拱缺陷管线整体屈曲的解析解研究

海底管线通常具有初始缺陷,高温高压作用下管线会在初始缺陷的基础上进一步变形最终发展为整体屈曲。该文以具有初始反对称双拱缺陷的海底管线为研究对象,基于理想管线整体屈曲的变形假设,通过求解管线屈曲前后的能量平衡方程,得到了管线发生二阶与四阶模态整体屈曲的解析解,建立了整体屈曲过程中管内轴力与屈曲波长间的关系。通过研究屈曲段轴力与滑动段轴力的变化规律,揭示了经典解析解得到的管线整体屈曲前轴力随幅值的变化曲线出现动态跳转的机理。工程算例分析表明,相同条件下管线更容易发生二阶模态的整体屈曲;当屈曲段轴力的释放速率大于滑动段摩阻力的累积速率时,才会出现动态跳转的问题。