复杂载荷下钢带缠绕增强复合管力学响应特性研究

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钢带缠绕增强复合管(SSRCP)常用于浅海油气运输,其承受载荷复杂多变,极易造成复合管过早失效;而在低周循环载荷作用下其具有滞回特性,能够通过自身内部变形吸收外界能量,有利于保障船舶、钻井平台等海洋结构的稳定性。为研究SSRCP在服役过程中力学响应特性,考虑非线性接触,建立数值计算模型,探究内外压、拉伸、弯曲及扭转组合载荷作用下SSRCP的刚度及承载性能,探究低周弯曲循环加载下SSRCP的非线性滞回特性。 (1)单一载荷下(扭转、弯曲)内、外钢带层起到管道整体的强化作用,使内外层PE管不易遭受破坏。组合载荷作用下,与单一载荷相比,管道高应力区的位置及内层钢带对称应力分布路径发生改变;钢带螺旋角度及摩擦系数越大,管道柔性越低。组合拉伸、扭转及弯曲载荷作用下,增大摩擦系数,SSRCP承载能力提高。组合弯曲载荷作用下,钢带螺旋角增大,SSRCP屈曲时的临界弯矩呈非单调变化,存在极大值。在组合弯曲载荷作用下,对于SSRCP弯曲变形时的层间相对滑动,钢带与PE管之间摩擦相较于钢带与钢带之间摩擦的影响更为显著。 (2)在低周弯曲循环加载过程中,SSRCP表现出刚度退化特性,其摩擦耗能呈加速式增长;增大极限位移量是摩擦耗能快速积累的主要因素。对管道施加小位移幅值的预加载,可以使SSRCP呈现强度强化的趋势。内压增大,刚度退化效应减弱。随着内压、径厚比、钢带螺旋角度及层间摩擦系数增大,SSRCP在低周循环加载过程中柔性降低;随着内压及层间摩擦系数增大,其刚度退化速率降低。特别是当内外压均为3MPa时,骨架曲线出现极小值点,出现刚度提高现象。随着内压、径厚比、层间摩擦系数线性增大,摩擦耗能非线性增长;存在临界螺旋角度,使得SSRCP吸收外界能量的能力突然增强。 (3)基于Bouc-Wen(BW)模型,通过引入非对称因子和强度增强因子,提出了用于描述SSRCP滞回特性的改进BW模型。将滞回耗能ε视为待识别参数,并根据加载规律将模型分为4段,降低了参数识别的难度。基于有限元模拟数据,利用改进的粒子群算法(PSO)、遗传算法(GA)、模拟退火算法(SA)三种随机智能优化算法对改进BW模型的参数进行识别。结果表明改进的PSO算法具有较高的计算精度、效率和稳定性,所提出的改进BW模型能够准确地描述SSRCP的滞回特性。 研究结果可为钢带缠绕增强复合管的设计、制造、敷设、安全评价、维修和防护等提供理论依据。