基于玻璃纤维增强复合材料的海底防护罩力学性能分析

随着海上采油业的发展，目前全球水下生产系统产值已达275亿美元，全球已服役的水下采油树超过5000棵，国内水下生产系统超过15套，水下采油树超过100棵。同时随着渔业捕捞技术的发展，近十年来，由于落物冲击、渔网拖挂等原因造成水下油气设施损伤的事故达10起以上，每次事故造成的经济损伤达上亿元。防护罩作为保护水下生产结构免受海上坠落物或渔网等物体造成破坏的重要措施，玻璃纤维复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀等优点能够代替传统钢结构作为海底防护罩的主体材料。本文以玻璃纤维复合材料防护罩为基础，研究其力学性能，包括玻璃纤维复合材料基本力学参数、防护罩在位静力分析、冲击分析等，最后对防护罩结构进行优化以提高其冲击力学性能。通过对玻璃纤维复合材料单层板进行拉伸、剪切实验，得到了玻璃纤维复合材料单层板各项力学参数并用以下文静力和动力学分析。通过ABAQUS对防护罩运输装船、沙坡堆积、渔网拖挂三种静力工况进行分析，使用最大应力准则进行强度校核以及使用Tasi-Hill准则判断结构是否存在失效部分，确定了防护罩在位工作的可行性。使用ABAQUS显式动力学计算防护罩在各种冲击能量下的力学响应，结果表明在各种冲击能量下防护罩整体结构未发生破坏，局部位置发生损伤。分析层合板各种参数下对于结构冲击性能的影响，确定了ABAQUS算法中使用连续壳单元、罚函数接触算法、Hashin损伤准则能使冲击分析结果更加准确，设计了一种新的铺层形式能更好地满足结构冲击时的刚度要求，得出了摩擦系数对于冲击分析的结果影响较小，确定了使用GFRP代替壳体筋中的PVC泡沫能有效提升结构的刚度和强度，分析比较了三种加强筋截面在结构强度和刚度上的优劣，在综合强度、刚度和材料用量下设计了一种新的加强筋布置形式。

[1] 徐晓丽,徐冰.水下生产系统的发展现状及未来预测[J].船舶物资与市场,2014(1).
[2] 朱元坤.水下立式采油树系统可靠性分析研究[D].青岛:中国石油大学,2018.
[3] 石锦坤,刘辉,张西伟,等.复合材料水下防护结构在海洋油气开发的应用[J].复合材料科学与工程,2021(12):78-81.
[4] PARLOC 2001,2003: The Update of Loss of Containment Data for Offshore Pipelines,http://www.hse.gov.uk/pipelines/parloc-2001-report.pdf
[5] 白冰,罗超,亢冬春,赵笑寒,张晓健.新型水下结构保护罩在南海典型油气开发区域应用的可行性研究[J].海洋工程装备与技术,2020,7(3):190-194.
[6] 张大为,周爽.混凝土式沉箱防护结构在水下生产系统中的应用研究[J].勘探开发, 2020(7):128-130.
[7] RICHARDS C. Technology Trends in the Offshore Oil & Gas Industry ROV Sensors & Subsystems[J]. Ocean News & Technology,2011,17(3):32-33.
[8] 张明,廖林坚.国内外水下采油树安装研究分析[J].工程与施工,2020(04):174-175.
[9] 钟肖,付明明.玻璃钢在海洋平台中的设计与应用分析[J].石油和化工设备,2018,21 (11):57-58.
[10]严侃,黄朋.复合材料在海洋工程中的应用[J].玻璃钢/复合材料,2017,12:99-104.
[11]谭思蓉.实验室模拟海洋浸泡腐蚀环境下FRP筋研究现状[J].广东建材,2019,4:69- 71.
[12]DNVGL-ST-C501. Composite components[S].Aug 2017.
[13]DNVGL-ST-N001. Marine Operations and Marine Warranty[S].2016.
[14]DNVGL-RP-F111. Interference between Trawl Gear and Pipelines[S].2017.
[15]NORSOK U-001. Subsea production systems[S].2015.
[16]ISO 13628-1. Design and operation of subsea production systems: general requirements and recommendations[S].2005.
[17]DNVGL-RP-F109.On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines[S].2017.
[18]DNVGL-ST-C502.Offshore Concrete Structures[S].2018.
[19]孔小寅.长玻纤增强聚丙烯复合材料的研究进展[J].材料制造和应用,2020(3):52-53.
[20]宋绪丁,庞利沙.碳纤维树脂基复合材料及成型工艺与应用研究进展[J].包装工程, 2021,42(14):81-91.
[21]吴思保,礼嵩明,鹿海军.芳纶/碳纤维复层结构复合材料变形研究[J].玻璃钢/复合材料,2019(6):90-94.
[22]Chaussepied, J.E.C. Tube of composite material for drilling and/or transport of liquid or gaseous products, in particular for offshore oil exploitation andmethod for fabrication of such a tube[J].1995.
[23]Ochoa, O, Salama, M. Offshore composites: Transition barriers to an enabling technology[J].Compos.Sci.Technol.2005,65,2588–2596.
[24]Bradley, M.S,Bradley, M.K..Underwater Pile Repair Jacket Form 000[EB/OL]. https://patents. google.com/patent/US6364575B1/en,2017-3-25.
[25]董立民,夏源明,等.纤维束的冲击拉伸实验研究[J].复合材料学报,1990,7(4):9-15.
[26]夏源明,王兴,杨报昌.单向玻璃纤维增强环氧树脂在冲击拉伸时的一维本构方程[J].复合材料学报,1994,11(4):110-116.
[27]张磊,孙清,王虎长,等.E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能试验研究[J].电力建设,2010,31(9):118-121.
[28]张硕,姚宁,吴继.E玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能[J].电力建设,2016, 1(1):11-14.
[29]王启强,彭龙贵.玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能研究[J].化工时刊,2016,30(7):4-7.
[30]薛晓敏,孙清,王虎长,等.玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料受压管件稳定性试验及理论研究[J].工程力学,2013,30(9):251-258.
[31]沈玲燕,李永池,等.三维正交机织玻璃纤维/环氧树脂复合材料动态力学性能的实验和理论研究[J].复合材料学报,2012,29(4):157-162.
[32]赵培仲,戴京涛,吉伯林,等.UV光固化玻璃纤维布/EP-PBMA 树脂复合材料的力学性能[J].复合材料学报,2014,31(5):1186-1191.
[33]Shokrieh M M, Omidi M J.Compressive response of glass–fiber reinforced polymeric composites to increasing compressive strain rates[J].Composite Structures,2009,89(4):517-523.
[34]Naresh K,Shankar K,Rao B S,et al.Effect of high strain rate on glass/carbon/hybrid fiber reinforced epoxy laminated composites[J]. Composites Part B Engineering,2016,100:125-135.
[35]Gurusideswar S,Srinivasan N,Velmurugan R,et al.Tensile Response of Epoxy and Glass/Epoxy Composites at Low and Medium Strain rate Regimes[J].Procedia Engin-eering,2017,173:686-693.
[36]Gurusideswar S,Velmurugan R,Gupta N K.Study of rate dependent behavior of glass/epoxy composites with nanofillers using non-contact strain measurement[J]. International Journal of Impact Engineering,2017,110:324-337.
[37]崔宁,谢锏辉.水下生产系统后保护方案研究[J].中国新技术新产品,2019(4):106- 108.
[38]张飞,黄晓华,尹汉军,等.一种考虑渔网拖挂防护的水下在线结构物设计[J].中国海洋平台,2014,29(3):7-11.
[39]周美珍,王刚,邢广阔,等.水下结构物保护罩受坠物撞击的有限元分析[J].哈尔滨工程大学学报,2015,36(9):1165-1169.
[40]刘孔忠,蒋梅荣,张翼,等.考虑渔业作业影响的水下 WYE 保护罩分析[J].船海工程,2018,47(2):29-32.
[41]孙雪梅,翁强,张大为,等.压入式桩基础水下防渔网保护罩的研究与应用[J].石油和化工设备,2020,23(2):45-47.
[42]孙雪梅,李洁,王长涛,等.浅水水下设备桩式防沉防渔网的防护装置[P].中国:CN201721614399.8,2018-07-03.
[43]杨成鹏,姜瑛,曹永,等.海底管道水下法兰保护结构设计[J].石油化工设备,2018,47(3):27-30.
[44]刘君,韩聪聪.一种自由式海底防沉板浅基础[P].中国:CN201811578584.5,2020-4-24.
[45]王道广,李艳莉,刘振平,等.一种水下生产系统防护装置[P].中国:CN201921364290.2,2020-07-28.
[46]青岛海洋工程水下设备检测公司.复合材料水下设备保护结构工程应用[EB/OL].https://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1618819785&ver=3017&signature=vwAJhbkWui1j1fxz5gew0lNxvRZJ*l*AHYkG0UWkHjZFF3IFIjZ2ZOqXED9d4pGvUnG72VtULZgbmKAwGrEP58vKDqpuXm55Hg*uTPUNl6AuFcwDKoIV2I3Il8N4&new=1,2020-2-1.
[47]钟正.碳纤维复合材料力学行为及断裂失效模式仿真[D].大连理工大学,2021.
[48]沈观林,胡更开.复合材料力学[M].北京:清华大学出版社,2013.
[49]ROBERT M.JONES.MECHANICS OF COMPOSITE MATERIALS[M]. New York:Taylor & Francis Group,1999.
[50]王燕,程文礼,王绍凯.复合材料蜂窝夹层结构在民用飞机上的应用综述[J].纤维复合材料,2021(2):73-77.
[51]张辰,饶云飞,李倩倩,李炜.碳-玻混杂复合材料低速冲击性能及其模拟[EB/OL].复合材料学报. https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20200922.003
[52]刘胜凯.三维编织复合材料高速冲击压缩响应的热氧老化效应和结构效应热力耦合分析[D].上海:东华大学, 2020.
[53]陈健.复合材料结构低速冲击响应分析[D].沈阳航空航天大学,2018.
[54]Johnson A F, Holzapfel M. Influence of delamination on impact damage in composite structures[J]. Composites Science & Technology,2006,66(8):807-815.
[55]Astm D.Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials[S].2008.
[56]Astm D.Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method [S].2021.
[57]陈曦.纤维增强复合材料加固钢结构构件力学性能研究[D].沈阳大学,2020.
[58]Muhammad Ahmad Tauqeer,Muk Chen Ong.Assessment of Impact Damage Caused by Dropped Obje[C].Proceedings of the ASME 2017 36th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.Trondheim:Norway,2017. 1-9.
[59]孙训方,方孝淑.材料力学[M].第5版.北京:高等教育出版社,2009:43-44.
[60]吴海淼, 姚志辉. 基于可靠性平均安全系数的设计方法研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2009,2(26):74-77.
[61]API Spec 8C-2013:Specification for drilling and well servicing structures [S].
[62]Hashin Z,Rotem A.A fatigue failure criterion for fiber reinforced materials[J]. Journal of Composite Materials,1973,7(4):448-464.
[63]孙祥杰,于洪旭.沙坡区域海底管道悬跨处理方法研究[J].石油和化工设备,2021,24(3):84-87.
[64]王长涛,李丽娜.水下生产系统的渔网拖挂防护技术[J].中国海洋平台,2015,30(6):86-90.
[65]Washington, D.C. Committee on the safety of marine pipelines.Improving the Safety of Marine Pipelines[M]. National Academy Press,1994.
[66]Brown I.C.,Perry. The Assessment of Impact Damage Caused by Dropped Objects on Concreate Offshore Structures[J].CIRIA/WEG,1989.
[67]Cengel, Cimbala.Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications[M].2nd Edition.McGraw Hill Publication,2010.
[68]Katteland,Oygarden.Risk analysis of dropped objects for deep water development[C].//Proc.of 14th OMAE,Copenhagen:OMAE,1995:443-450.
[69]Muhammad Ahmad Tauqeer,Muk Chen Ong.Assessment of impact damage caused by dropped objects on glass reinforced plastic (GRP) covers[J].the ASME 2017 36th International Conference on Ocean,2017:1-9.
[70]王力立,杨胜春.复合材料强度准则在层合板失效预测中的适用性评估分析[J].科学技术与工程,2019,19(10):61-67.
[71]朱启晨,陈勇.复合材料风扇叶片铺层设计方法研究[J].航空发动机,2018,44(3):46-54.
[72]Irisarri F X, Lasseigne A. Optimal design of laminated composite structures with ply drops using stacking sequence tables[J].Composite Structures,2014,107:559-569.
[73]Yang J, Song B.Optimal design of blended composite laminate structures using ply drop sequence[J].Composite Structures,2016,135:30-37.
[74]王亚楠,曹凤香.玻璃纤维增强硼酸酯改性酚醛树脂复合材料的摩擦学性能研究[J].材料导报,2021,35(18):18210-18215.