自升式海洋平台碰撞模型试验技术研究与应用

发布时间：2017-10-19 22:25

  本文关键词：自升式海洋平台碰撞模型试验技术研究与应用

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【摘要】：自升式海洋平台作为海洋能源勘探开发的主要组成部分,是海洋油气探井、钻井、开采的主要作业基地,然而船舶碰撞致使平台结构损伤破坏一直是威胁海洋平台安全的主要因素之一。评估结构耐撞性能最可靠的方法是实尺度碰撞试验,然而对于平台的碰撞试验,因其耗资巨大而不易开展,因此,适当开展比例模型试验可以为简化解析算法及数值仿真计算提供验证依据,从而揭示平台结构在碰撞过程中的损伤变形机理,对更好的开展自升式平台耐撞结构设计具有重要意义。本文首先开展了典型船用钢材的静动态材料力学性能试验,分析确定了有限元仿真分析中的材料非线性输入参数;然后运用量纲分析法推导船舶-自升式海洋平台碰撞的动态相似率,进行碰撞结构缩尺修正方法研究;在此基础上,编制试验大纲,实施管及管节点的落锤冲击试验,并基于有限元软件ABAQUS开展试验仿真分析,完善碰撞问题的模型化技术;最后设计了平台整体碰撞模型试验方案。本文的主要研究工作及结论如下:(1)开展了船用低碳钢材料的准静态和高速拉伸试验,基于试验结果进行了材料非线性仿真输入研究,考虑了材料硬化、不同网格失效应变以及应变率敏感性,得到可用于软件输入的材料力学性能参数;开展了加筋板结构的落锤冲击试验,分析冲击载荷作用下结构的动态响应过程,与仿真计算结果比较,验证仿真分析技术的准确性。(2)基于量纲分析法推导了船舶-自升式海洋平台碰撞动态相似率,结合有限元仿真技术建立不同缩尺比下的简化平台管节点模型,计算并验证了相似准则的正确性;考虑了材料应变率敏感性对碰撞问题结构缩尺的影响,推导得到了通过改变冲击质量来修正缩尺误差的方法,并以弦管碰撞模型的缩尺实例验证了该修正方法的可靠性。(3)设计了自升式平台管及管节点的落锤冲击试验方案并开展了相关试验,对试验中得到的碰撞力、冲击过程、损伤变形情况进行了分析讨论,给出了结构形式、冲击高度对结构动态响应的影响规律。(4)基于管及管节点的落锤冲击试验开展了相关仿真分析,将计算结果与实验比较,完善确认了数值仿真分析技术;基于数值计算结果,分析了碰撞典型时刻结构的损伤变形机理,探讨了冲击速度和冲击质量对管结构碰撞响应的影响规律。(5)对整体平台碰撞试验模型的简化进行研究,确定了以单桩腿模型来代替整体平台模型的简化方法,初步设计了平台整体试验模型及其约束工装,对试验方案进行了仿真计算,为后续试验的准备和开展奠定了基础。
【关键词】：自升式平台 管节点 落锤冲击试验 模型试验 相似率 数值仿真
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 主要符号说明14-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1 研究背景与意义15-16
• 1.2 国内外研究现状和方法16-22
• 1.2.1 船舶-海洋平台碰撞数值模拟研究现状16-17
• 1.2.2 相似理论研究现状17-18
• 1.2.3 船舶-海洋平台碰撞模型试验技术研究现状18-22
• 1.3 研究内容、方法和创新点22-24
• 1.3.1 研究内容22-23
• 1.3.2 论文主要创新点23-24
• 第二章 材料力学性能试验与仿真研究24-40
• 2.1 引言24
• 2.2 基于材料力学性能试验的仿真材料输入研究24-32
• 2.2.1 材料力学性能试验24-27
• 2.2.2 材料非线性仿真输入研究27-32
• 2.3 船体板架结构落锤冲击试验32-35
• 2.3.1 试验装置32-33
• 2.3.2 试件设计33-34
• 2.3.3 试验结果分析34-35
• 2.4 板架落锤冲击试验仿真分析35-38
• 2.4.1 落锤冲击有限元模型35-36
• 2.4.2 有限元计算结果36-38
• 2.4.3 不同网格密度失效应变有限元验证38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 船舶-自升式海洋平台碰撞的相似理论分析40-64
• 3.1 引言40
• 3.2 船舶-自升式海洋平台碰撞的相似理论分析40-43
• 3.2.1 量纲分析法40
• 3.2.2 碰撞相关物理量40-41
• 3.2.3 动态相似准则41-42
• 3.2.4 碰撞物理量相似比42-43
• 3.3 船舶-自升式海洋平台碰撞相似率的数值验证43-54
• 3.3.1 有限元模型概况43-45
• 3.3.2 相似率在直管上的应用与验证45-48
• 3.3.3 相似率在T型管节点上的运用与验证48-50
• 3.3.4 相似率在K型管节点上的运用与验证50-52
• 3.3.5 误差分析52-54
• 3.4 计及应变率影响的修正方法研究54-62
• 3.4.1 应变率敏感性对结构缩尺的影响54-55
• 3.4.2 计及应变率影响的修正方法研究55-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第四章 自升式平台管及管节点碰撞冲击试验64-87
• 4.1 引言64
• 4.2 试件及工装设计64-70
• 4.2.1 船舶-海洋平台碰撞场景简化64-65
• 4.2.2 撞头选取65
• 4.2.3 被撞管结构缩尺65-66
• 4.2.4 试件材料选取66
• 4.2.5 试件尺寸设计66-68
• 4.2.6 工装设计68-70
• 4.3 测量对象及方案70-75
• 4.3.1 测量参数70-73
• 4.3.2 试件编码及试验工况73-74
• 4.3.3 测量设备74-75
• 4.4 模型试验结果分析75-86
• 4.4.1 试件塑性变形分析75-79
• 4.4.2 碰撞力时程曲线分析79-82
• 4.4.3 试验撞击过程分析82-84
• 4.4.4 试件挠度分析84-86
• 4.5 本章小结86-87
• 第五章 自升式海洋平台管及管节点冲击试验仿真分析87-104
• 5.1 引言87
• 5.2 有限元模型87-89
• 5.3 数值模拟结果与试验的对比分析89-96
• 5.3.1 PIPE组试件数值模拟与试验的对比分析89-91
• 5.3.2 T joints组试件数值模拟与试验的对比分析91-94
• 5.3.3 K joints组试件数值模拟与试验的对比分析94-96
• 5.4 数值模拟冲击的过程分析96-100
• 5.4.1 直管冲击过程分析96-97
• 5.4.2 T型管节点冲击过程分析97-99
• 5.4.3 K型管节点冲击过程分析99-100
• 5.5 冲击参数对结构碰撞性能的影响100-102
• 5.6 本章小结102-104
• 第六章 船舶-自升式海洋平台整体碰撞模型试验设计104-117
• 6.1 引言104
• 6.2 整体平台碰撞模型的简化方法104-109
• 6.2.1 整体平台碰撞模型104-105
• 6.2.2 单桩腿碰撞模型105-106
• 6.2.3 节距碰撞模型106-107
• 6.2.4 三种模型计算结果对比分析107-109
• 6.3 试验模型初步设计109-113
• 6.3.1 平台模型的选取109-110
• 6.3.2 试验模型缩尺110
• 6.3.3 试件材料选取110-111
• 6.3.4 试件尺寸设计111-112
• 6.3.5 工装设计112-113
• 6.4 测量对象及方案113-116
• 6.4.1 试验中需要测量的变量113-114
• 6.4.2 测量仪器选择114-115
• 6.4.3 平台整体碰撞模型试验方案115-116
• 6.5 本章小结116-117
• 结论117-120
• 参考文献120-125
• 攻读硕士学位期间发表的论文125-126
• 致谢126

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本文编号：1063698