温馨提示

1.实验背景

随着开发技术的飞速发展，海洋石油开发迅速向深海发展，深海油气资源开发主要是采用水下生产系统，脐带缆是水下生产系统的关键组成部分之一，其深水安装铺设是技术难度大、施工环境恶劣、花费较高的工程，该过程中涉及大量力学知识。

脐带缆在深水安装铺设时难以进行直接的观测、铺设现场不方便让学生进行实际操作，前往工程现场实习的时间成本和经济成本较高，且由于比尺效应失效和海洋工程装备造价高昂无法进行实验室模拟。所以对国家高技术研究发展计划（863计划）中的重要研究成果进行转化，并将学术前沿与工程实践进行结合，利用虚拟仿真技术完成深水动态脐带缆安装铺设虚拟仿真实验项目的开发。

让学生了解学术前沿，开拓视野，将课本知识应用于工程实际，加深理解，从而培养学生独立思考和解决实际问题的能力，有效促进高素质人才培养。

 

2.实验目的

（1）学习掌握脐带缆的相关背景知识。

（2）学习掌握脐带缆的分类、结构和功能。

（3）学习掌握脐带缆的安装铺设过程。

（4）学习掌握脐带缆的线型优化设计。

 

3.实验原理

（1）波浪荷载概念和理论

波浪流荷载对于脐带缆的作用力和拖曳力，需要通过Morison方程计算获得。但是当流作用于脐带缆圆柱形结构时不仅会产生拖曳力，还可能出现旋涡脱离现象，而形成周期性的尾流会导致振动，也就是涡激振动(VIV)。在稳定流中，由涡旋脱离所引起的升力频率也会随流速的增加而增加。

（2）浮体运动

浮体运动是由风、浪、流等环境荷载导致的，其作为脐带缆线型设计与分析中的环境荷载，一般情况下不受脐带缆运动的影响。浮体运动可以划分为波频运动（一阶运动）、低频运动（二阶运动）和平均漂移。其中，波频运动是浮体受到波浪荷载作用时产生的与波浪频率一致的运动，主要是由浮体的性质决定的，一般不受脐带缆这样柔性结构的影响。低频运动来自于风、二阶波浪力的激励，水平低频运动由浮体、脐带缆和系泊共同组成的系统的动力特性决定。平均漂移则是浮体、系泊、动态脐带缆整体系统在环境荷载作用下产生的位移。

（3）悬链线方程

 基于悬链线模型推导悬链线方程，悬链线模型如图1所示：

图1 悬链线模型

通过悬链线方程可以获得脐带缆整体线型响应接近真实的解，且计算速度快。因此在一些专业的水动力分析软件中，如Orcaflex和Riflex，在管缆建模阶段也采用了悬链线方程获得初始形态，能极大的提高计算效率。其建立基于忽略脐带缆弯曲刚度的假设（即纯柔性），因此，已知实际水深和脱离角的情况下，对于张力、曲率的估计均是保守的（偏大），在实际分析时需要格外注意。

（4）有限元法对柔性结构静力分析

在脐带缆这类结构的静力分析中，有限元法可以考虑弯曲刚度的影响，解决几何非线性、接触问题等难题，因此可以获得非常精确的解。在进行求解时，有限单元、大位移与转动可以体现柔性结构有限元分析特点，具体特点如下：

a）有限单元：柔性结构如脐带缆的三维静力分析的单元应该包含12个节点；满足绕截面两轴的弯曲要求；可以模拟轴向拉伸与扭转变形；能够赋予材料刚度或几何刚度；材料的建模可以是线性或非线性的，如图2为典型的三维梁单元：

 

图2 可用于脐带缆整体分析的三维梁单元

b）无限位移与转动：脐带缆这样的柔性结构具有大变形，大转角特点。要求静力有限单元可以模拟大刚体位移，从而建立共转坐标方程（co-rotational FE formulation）。图3为三维空间的大转动示意图，每个节点均设有3×3的转动矩阵，在荷载施加过程中不断更新。

 

图3 三维空间大转动

（5）柔性结构动力学分析基础

动力分析是评估脐带缆在波浪、流与浮体运动作用下的荷载与动力行为，用于校核设计是否满足设计准则。对动力响应的求解是极值分析、疲劳分析和干涉分析的基础。动态柔性立管单元的动力学控制方程如公式1：

                 （1）

式中： M(p,a)为惯性力；C(p,v)为系统的阻尼力；K(p)为回复力；F(p,v,t)为外部荷载；p,v,a分别是位置、速度、加速向量；t是时间。

在对脐带缆进行动力分析时，浮体运动可作为强迫的边界激励作用于脐带缆上。一般来说，浅水中浮体受到的激励与阻尼在很大程度上来自于流体作用力与浮体自身，水下系统对浮体运动的影响很小，可以忽略不计。但随着水深的增加，需要考虑到脐带缆与浮体之间的耦合效应，即考虑动态管缆对浮体的回复力、阻尼与惯性力的影响。