浮筒转塔式系泊系统中的动态管缆数值分析(2)

　　1.1管缆单元 

　　动态管缆等柔性结构动力学分析的单元应具备以下基本的能力. 

　　（1）能够分别设置拉伸、弯曲和扭转刚度（线性与非线性刚度）等，可赋予外径、质量和阻尼等信息. 

　　（2）能够允许在载荷作用下发生大变形/大转角等非线性行为. 

　　（3）能够模拟管缆之间，管缆与中水浮拱、顶部弯曲保护装置及海床间的接触和摩擦. 

　　由于动态管缆截面极为复杂，难以通过整体动态分析直接获得管缆截面的应力分布，所以整体分析软件中的管缆单元只需要包含质量、刚度和阻尼等特性，能够快速获得管缆的载荷和变形以用于局部分析即可，可极大地提高分析效率.例如Orcaflex的线单元见图2. 

　　4结论 

　　BTM中动态管缆的数值分析既具备一般的动态管缆的分析特点，即管缆存在大变形/大转角和非线性刚度等问题，又有其自身的特点，如脱离后存在显著的耦合效应等问题.这导致分析困难且计算量大.本文通过对这类系统的分析得出以下结论：

　　（1）海洋柔性立管、动态缆的数值仿真非线性问题突出、结构应力复杂.整体动态分析往往需要大规模时域计算，此时忽略截面应力，建立反映整体力学行为的单元，是一种简单且高效的办法. 

　　（2）对BTM系统与FPSO脱离前后的动态分析，应采用不同的分析策略.连接工况可采用解耦的分析策略以大幅提升计算效率，脱离后应采用耦合的分析策略以符合动力学原理. 

　　（3）由于分析工况多且计算数据量大，此类分析既需要很好的简化建模，又需要便捷的结果后处理程序，以满足工程中极值与疲劳分析的要求. 

　　我国水下管缆设计研究刚刚起步，尚无自主的专业的设计分析软件.本文在研究动态管缆分析技术的同时也能为此类软件自主开发提供一定借鉴. 

　　参考文献： 

　　[1]PATEL M H， SEYED F B. Review of flexible riser modelling and analysis techniques[J]. Eng Structures， 1995， 17（4）： 293304. 

　　[2]WITZ J A， TAN Z. On the flexural structural behaviour of flexible pipes， umbilicals and marine cables[J]. Mar Struct， 1992， 5（2/3）： 229249. 

　　[3]卢青针， 肖能， 阎军. 钢管脐带缆弯曲刚度有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2011， 20（2）： 3235. 

　　[4]APIRP17BRecommended practice for flexible pipe[S]. 

　　[5]DNVRPF201Dynamic risers[S]. 

　　[6]RAFAEL L T， de ARRUDA M C， de MORAES T F C， et al. Parametric analysis of lazywave steel riser[C]//Proc 18th Int Conf Mech Eng. Ouro， 2005. 

　　[7]DNVRPF205Global performance analysis of deepwater floating structures[S]. 

　　[8]YE W， SHANKS J， FANG J. Effects of fully coupled and quasistatic semisubmersible vessel motions on steel catenary riser’s wave loading fatigue[C]//Proc Offshore Technol Conf， OTC15105. Houston， 2003. 

　　[9]石山， 冉志煌， 漆春茂. 海洋工程深水开发浮式系统的耦合计算方法[J]. 中国造船， 2005， 46（4）： 4751. 

　　[10]BAI Yong， BAI Qiang. Subsea pipelines and risers[M]. 2nd. Amsterdam： Elsevier， 2005： 490491. 

　　[11]STEINKJER O， SODAHL N， GRYTOYR G. Methodology for time domain fatigue life assessment of riser and umbilicals[C]//Proc 2010 29th Int Conf Ocean， Offshore & Arctic Eng， OMAE 201020119. Shanghai， 2010.