《Ocean Engineering》：AdaNGA: Adaptive neuronal genetic algorithms for unmanned surface vehicle dynamic path planning in dynamic environment
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液化天然气低温柔性管道的拉伸力学特性研究通过有限元建模和实验验证相结合的方法，建立了高精度数值模型（误差<5%），分析了结构参数（如护套层宽度）和摩擦系数对拉伸刚度的影响，并揭示了低温环境下力学性能的非线性特征及刚度显著提升规律。
Xipeng Ying|Kailun Zhang|Huixin Cao|Hao Wu|Jun Yan|Zhixun Yang|Liang Cheng
华南理工大学海洋科学与工程学院，广州，511442，中国
摘要
作为浮动液化天然气系统的关键设备之一，LNG低温柔性管道被称为“血管”。在风、波浪和水流等极端的海洋环境条件下，这些管道容易受到显著的拉伸载荷，可能导致失效和损坏。由于其复杂的多层结构，分析低温柔性管道的拉伸力学性能颇具挑战性。基于其结构特点，建立了一个精细的有限元模型并进行了数值模拟以分析其拉伸性能。同时，还构建了一个低温柔性管道的实验平台，并在常温条件下进行了拉伸力学实验。与实验结果相比，数值模拟的误差在5%以内，验证了本研究中有限元模型的准确性。在此基础上，还讨论了结构参数和摩擦系数对拉伸刚度的影响。研究发现，随着拉伸防护层的截面宽度增加，拉伸刚度均匀增加，这一趋势与厚度变化一致，但与角度变化相反；而层间摩擦系数的影响可以忽略不计。此外，考虑到应用中的低温环境，基于有限元分析研究了低温条件下的低温柔性管道的拉伸力学性能，显示出明显的非线性特征以及拉伸刚度的显著增加。本研究可为LNG低温柔性管道的设计和分析提供参考。
引言
浮动液化天然气（FLNG）设施是一种新型的海上浮动生产系统，用于液化天然气（LNG）的生产（Rubino等人，2020年；Xu等人，2024年；Yang等人，2022年），它将液化、储存和卸载集成在一个单元中，如图1所示（Svein等人，2015年）。LNG低温柔性管道用于LNG的传输，是FLNG系统的关键组成部分（Cui等人，2025年；Yan等人，2025年；Valk和Watson，2005年），如图2所示。近年来，随着海上天然气资源开发从浅海扩展到深海和远海，LNG低温柔性管道的应用环境变得越来越恶劣和极端。在风、波浪、水流和浮动结构运动等复合环境载荷的作用下，低温柔性管道容易发生结构失效（Weijde和Mallon，2011年；Zhang等人，2024年；Lu等人，2020年），严重危及海上油气作业的安全性和经济可行性。
LNG低温柔性管道具有多层复合材料结构，在恶劣的海洋环境载荷下表现出复杂的力学行为。全球范围内已对低温柔性管道的结构力学进行了大量研究。作为管道的内层，薄壁金属波纹管的结构是承受特定结构载荷的关键部件。Bardi等人（2011年）研究了金属波纹管在五种不同载荷条件（拉伸、压缩、弯曲、扭转和内压）下的力学响应，使用有限元模型分析了其刚度和强度。Srivastava等人（2011年）发现，冷成形和低温环境显著影响了金属波纹管的应变硬化。他们随后修改了材料的本构模型，揭示了波纹管在低温环境下的载荷-变形特性和局部应力响应。在研究低温柔性管道的整体结构性能时，Ying等人（2022年）对关键结构层进行了多目标优化设计，得到了一组帕累托最优解。这项研究为管道结构提供了关键的设计参数和合理的设计方法。Ribeiro等人（2003年）开发了一个三维有限元模型，用于多层多材料管道，采用壳-梁单元方法分析其结构力学响应。通过将结果与理论预测和实验数据进行比较，确认了模型的准确性。Bahtui等人（2010年）考虑了层间接触摩擦和大的几何变形等非线性因素，建立了一个用于未粘合多层多材料海洋柔性管道的有限元模型，利用该模型分析了管道在主要载荷下的力学性能。在研究螺旋骨架复合低温管道（LNG低温柔性管道的另一种结构形式）时，Zhang等人（2022年，2024年）使用ANSYS软件中的ACP模块（专门用于复合材料的工具）开发了一个参数化有限元模型，准确反映了层叠过程。他们利用该模型研究了层排列对基本力学性能（如拉伸和扭转行为）以及疲劳特性的影响。为了解决低温柔性管道的结构复杂性和建模难度带来的挑战，Ying等人（2023年，2024年）提出了使用渐近均质化方法等效分析管道力学性能的方法，显著提高了有限元分析的计算效率。
在实验研究方面，Giacosa等人（2016年）根据EN 1474-2标准对波纹状LNG低温柔性管道进行了拉伸测试，获得了关键的拉伸性能参数，如轴向刚度和最大破坏力。值得注意的是，该研究仅限于常温条件，未考虑低温环境对管道拉伸性能的影响。为了研究低温环境下LNG低温柔性管道的拉伸性能，Gerard和Niels（2011年，2012年）对螺旋骨架复合低温管道进行了低温拉伸测试。结果表明，温度对管道的刚度性能有显著影响，低温环境导致拉伸刚度增加。Jean和Gioorgio（2011年）对波纹状LNG低温柔性管道进行了弯曲测试，获得了关键的弯曲性能参数，如弯曲刚度和弯曲半径。Stone等人（2000年）建立了一个低温弯曲测试平台，研究了低温环境对LNG低温柔性管道结构弯曲性能的影响，并量化了低温环境下的最小弯曲半径。此外，在实时监测方面，Huang和Wu（2023年）提出了一种用于低温柔性软管中铠装钢丝应力分布的结合全局-局部监测策略，准确有效地获得了不同海况下软管运动特性和铠装钢丝的最大应力状态，同时实时评估了串联卸载操作期间的软管结构安全性。
虽然上述研究主要集中在金属波纹管和其他柔性管道及电缆上，但关于LNG低温柔性管道的相关研究主要采用实验方法，这些方法成本高昂且效率低下。此外，缺乏用于快速准确分析LNG低温柔性管道整体结构拉伸力学性能的有限元模型，低温环境的影响也尚未得到充分研究。在实际工程中，拉伸载荷是漂浮在受波浪影响的海面上的低温柔性管道最常见的工作条件之一，因此分析其拉伸力学性能是确保可靠运行的关键安全指标（Yang等人，2022年；Svein等人，2015年；Cui等人，2025年）。过大的拉伸载荷可能导致低温柔性管道的结构失效。同时，管道内流动的低温LNG介质带来了显著的热机械耦合挑战。因此，应进行低温环境下LNG低温柔性管道在拉伸作用下的力学行为分析以及低温环境的影响研究。
在本研究中，我们首先分析了LNG低温柔性管道的结构特点，包括金属薄壁波纹结构、螺旋缠绕结构和厚壁圆柱结构，如第2节所述。其次，进行了有限元（FE）模型的数值模拟和拉伸实验，以分析其拉伸力学性能，如第3节所示。研究发现，数值模拟的拉伸刚度误差与实验结果相比仅在5%以内，验证了FE模型的准确性。此外，我们还讨论了影响低温柔性管道拉伸刚度的因素。最后，考虑到实际条件下的管道内低温LNG，研究了低温环境下的拉伸力学性能，如第4节所述。研究发现，低温环境下的拉伸力学性能表现出非线性行为。
章节摘录
低温柔性管道的结构特点
低温柔性管道具有典型的多层、多材料、非粘合的管状结构，如图2所示。基于此，它可以分为三种主要结构形式：金属薄壁波纹结构（内层波纹管）、螺旋缠绕结构（拉伸防护层）和厚壁圆柱结构（绝缘层和护套层）。
低温柔性管道的FE模型
在本节中，以图2所示的低温柔性管道（内径为203.20毫米）为例，使用ABAQUS软件（ABAQUS CAE，2012）的有限元（FE）模型方法对其拉伸力学性能进行了模拟和分析。FE模型的长度设置为1700.00毫米，相应结构层的几何和材料参数见表1（Yang等人，2022年；Ying等人，2022年，2024年）。截面结构
拉伸行为的耦合热力学研究
在实际应用中，管道内部含有低温环境下的LNG介质，因此需要研究低温环境对拉伸力学性能的影响。基于第3节中的低温柔性管道FE模型，在-163°C的温度下分两步进行了拉伸力学性能的有限元分析，采用了序贯热力学耦合方法（
结论
在本研究中，以多层多材料结构的低温柔性管道为研究对象，并考虑了本研究的相关限制，我们采用数值模拟和实验验证相结合的方法，在常温条件下分析了其拉伸载荷下的力学性能。通过将精细的FE模型结果与实验结果进行比较，发现误差在5.00%以内，验证了FE模型的准确性，
CRediT作者贡献声明
Xipeng Ying：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法论，形式分析，数据管理。Kailun Zhang：验证，软件，方法论，形式分析，数据管理。Huixin Cao：验证，软件，方法论，形式分析，数据管理。Hao Wu：软件，方法论，形式分析，数据管理。Jun Yan：资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。Zhixun Yang：方法论，
利益冲突声明
所有作者均参与了这项工作。
本手稿尚未提交给其他期刊或其他出版机构进行审稿。
作者与手稿讨论的主题内容无任何直接或间接财务利益的组织有关联。
其他作者也与手稿讨论的主题内容无任何直接或间接财务利益的组织有关联。
致谢
本研究得到了中国南方电网下属的电力研究院的科学技术项目（SEPRI-K253005）、国家自然科学基金（52271269）、山东省重大科技创新项目（2024CXGC010803）以及广东省基础与应用基础研究基金项目（2022B1515250009）的财政支持。对这些支持表示衷心的感谢。
