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海底管道是海洋油气船舶管路用或海底管道是海洋油气开采与运输过程中较为重要的载体,然而海底工作环境极为复杂,导致长期使用的海底管道破损,油气泄漏现象时有发生。目前使用的海底管道连接器安装过程较为复杂,需要庞大的辅助机具完成安装。因此,研制结构简单,密封性能好,安装更为方便的海底管道连接器十分必要。本论文提出一种对称结构海底管道连接器设计方案并研究其工作性能,具有重要的理论意义和工程应用价值。综合分析海底管道的连接及维修技术,以及国内外现有海底管道连接器的技术特点,提出对称结构海底管道连接器结构模型,结合技术要求及设计指标,确定连接器总体结构方案。设计连接器驱动机构、密封机构、锚定机构、锁紧机构等关键机构,规划安装作业流程。基于静力学理论,建立连接器锚定机构卡瓦力学模型,推导卡瓦在加载坐封过程中的接触应力求解公式,分析连接器锚定性能与结构参数之间的关系,建立锚定机构多目标优化数学模型,对设计变量和目标函数进行灵敏度和相关性分析,得到卡瓦牙的牙倾角、牙顶角、锥面倾斜角等主要参数的优解。建立管道与卡齿锚定时轴向力分布的力学模型,计算受力端卡瓦牙承担载荷,根据"危险卡齿"承担的载荷与卡瓦牙数的变化规律,确定锚定机构较优卡瓦牙数范围。基于弹塑性力学理论,对橡胶密封圈自由变形和约束变形两个阶段进行受力分析,推导密封圈接触应力表达式,通过橡胶试件单轴拉伸试验获得应力应变数据,利用ABAQUS软件拟合确定橡胶材料Yeoh模型的材料常数,并确定密封圈形状尺寸的设计依据。运用响应面模型法建立优化数学模型,对相关变量进行敏感性分析,计算合适设计点密封圈厚度、接触面倾斜子厚度、接触面倾斜角。并对优化前后的密封机构进行有限分析,证明优化设计对连接器密封性能的作用。对连接器进行样机制造,对锚定机构进行锚定驱动力测试试验和极限承载能力测试试验,得出连接器在极限载荷范围内能***良好的锚定性能,表明连接器具有一定的承载能力；对密封机构进行密封性能测试试验,证明连接器具有良好的密封性能,满足设计指标,验证连接器设计方案的可行性。研制的对称结构海底管道连接器采用优化后的密封机构和锚定机构,有良好的密封性能和抗载荷能力,其研究成果对其他类似连接器性能的提高具有一定的借鉴意义。
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