【摘 要】
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深水钢悬链立管是海洋工程开发中经常用到的结构,其良好的动力学性能对海洋油气开发的安全运行至关重要。绝对节点坐标法在结构大变形的非线性动力学领域有着广泛的应用前景,
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深水钢悬链立管是海洋工程开发中经常用到的结构,其良好的动力学性能对海洋油气开发的安全运行至关重要。绝对节点坐标法在结构大变形的非线性动力学领域有着广泛的应用前景,建立绝对节点坐标法力学模型并对深水钢悬链立管进行动力学分析是一个崭新的具有前途的研究领域。本文基于绝对节点坐标法,考虑了钢悬链立管的几何非线性,建立了一种适用于钢悬链立管的三维空间动力响应分析模型,并结合有限元方法编写了计算程序,对深水缓波形钢悬链立管进行了静态分析和时域动力分析。首先,通过连续介质力学推导出立管空间构型和结构变形的表达式,并结合虚功原理推导出单元变形后的运动平衡方程;然后,采用了绝对节点坐标法的三维两节点梁单元的简化模型,考虑了轴向变形和弯曲变形的耦合效应,推导出立管单元的完整切线刚度矩阵、外载荷向量、常数质量矩阵以及边界条件等,并使用Fortran语言进行了程序的编写;然后,使用了增量形式的静力求解算法和非线性时域动力求解算法对相关算例进行计算,证明了有限元程序的正确性;最后,通过对缓波形钢悬链立管进行分析,获得了一些可用于工程参考的结论和规律,同时也说明了该分析模型适用于深水钢悬链立管的动力响应分析。该分析模型具有以下特点:立管单元采用了精确的弹性内力及切线刚度表达式,提高了立管模型计算精度;绝对节点坐标法下的切线刚度矩阵是绝对节点坐标和时间的函数,能有效地解决深海立管的几何非线性问题;采用了时域内非线性直接积分算法求解动力方程,更好的模拟了水动力载荷的非线性特征。
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