合成纤维系缆的复杂力学性能及其对绷紧式系泊系统动力响应的影响

发布时间：2017-10-23 18:09

  本文关键词：合成纤维系缆的复杂力学性能及其对绷紧式系泊系统动力响应的影响

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【摘要】：海洋浮式结构物的定位技术是海洋资源开发的关键技术。随着海洋油气资源开发不断向深水和超深水海域挺进,绷紧式系泊系统成为备受青睐的定位方式。然而合成纤维缆绳具有复杂的力学性能,有别于钢链和钢缆,因此针对合成纤维缆绳进行实验研究和理论模型开发具有重要的工程意义和学术价值。此外,由于系缆的差异将导致系泊系统的响应发生变化,因此在深入把握合成纤维缆绳力学性能的基础上,探究系缆力学性能演变对绷紧式系泊系统动力响应的影响也备受海洋工程界的关注。为了保障系泊系统安全可靠地运行,本文围绕合成纤维系缆的复杂力学性能和其对系泊系统响应的影响这两个重要专题开展了研究。首先,设计研发了合成纤维缆绳实验设备,并提出了合成纤维缆绳的实验技术和标准实验流程,特别是对缆绳接头处理技术(环眼插编法)进行了详细说明。以此为基础,为了深入地把握合成纤维缆绳的力学特性,分别研究了损伤纤维缆绳的动刚度演变,高强聚乙烯(HMPE)缆绳的蠕变和蠕变-破断性能,高强聚乙烯缆绳疲劳性能以及缆绳的磨合(Bedding-in)标准流程。(1)通过研究损伤合成纤维系缆的动刚度演变,发现缆绳的损伤度、平均张力、应变幅值和循环载荷周次都对缆绳的动刚度有影响。因此,基于量纲分析的方法,提出了综合考虑这四种影响因素的动刚度经验公式,发现此动刚度经验公式所得的计算值与对应的实验值吻合度很好,并可以利用小尺寸受损缆绳动刚度推测较大尺寸受损缆绳的动刚度。(2)通过高强聚乙烯子缆蠕变和蠕变-破断的实验研究可知,高强聚乙烯试样的蠕变-破断曲线存在三个阶段,并提出了可以计算高强聚乙烯缆绳第二阶段蠕变率的经验公式,以用于缆绳蠕变量的估算。此外,还提出了一经验公式用于计算高强聚乙烯缆绳在定常载荷下的蠕变寿命。(3)对高强聚乙烯缆绳开展了系统的疲劳实验研究,考察了平均张力和张力幅值对疲劳寿命的影响,给出了缆绳整个寿命周期下的张力-时间、应变-时间、张力-应变和动刚度演变曲线,发现高强聚乙烯缆绳疲劳破坏的平均应变约为7%,并对获得的实验数据进行了分析,首次提出了提出了考虑平均张力和张力幅值影响的疲劳寿命计算公式。(4)通过系统地实验研究,提出了采用合成纤维缆绳张力-应变曲线的斜率作为缆绳磨合程度的量化指标,并提出了前期加载为循环载荷时,合成纤维缆绳磨合程度的计算公式,统一了所有纤维缆绳实验规范对缆绳磨合的认识。根据合成纤维缆绳磨合所施加的力载荷范围和载荷周次不宜过大、时间不宜过长等原则,建议了合成纤维缆绳的磨合流程。该研究有助于准确定义缆绳的载荷历史,同时有助于准确获得缆绳初期加载对力学特性的影响。其次,为了刻画合成纤维缆绳蠕变-破断行为,从热力学框架出发,建立了粘弹性和损伤耦合的本构模型,并详细地介绍了模型参数的确定方法,该方法可用于合成纤维缆绳任一组分(比如纤维、纱线、子缆和缆绳)的参数确定。研究表明所提出的蠕变-破断模型采用少量短期的实验数据即可标定模型参数,然后可以高效地预测在其他载荷水平下合成纤维缆绳全寿命周期的蠕变-破断响应。总体来说,模型预测结果与实测结果吻合度较高。此外,为了更加准确地刻画合成纤维缆绳的力学特性,特别是为了更好地刻画合成纤维缆绳在复杂载荷条件下的力学行为,建立了粘弹性、粘塑性以及损伤相耦合的本构模型,并采用新的蠕变-破断实验数据验证了新模型的准确性和可靠性。最后,基于系泊缆绳力学特性的认识和把握,提出了一新型混合缆。为了考察该混合系缆的可行性,采用钢链-高强聚乙烯缆绳-聚酯缆绳-钢链所组成的新型绷紧式系泊系统开展了动力响应和疲劳分析,并将所得的数值结果与采用钢链-聚酯缆绳-钢链所组成的传统绷紧式系泊系统进行了比较,发现新型绷紧式系泊系统可以有效地减小浮式平台的偏移量,但是需要注意调整高强聚乙烯缆绳和聚酯缆绳的长度比例,设计出适宜的系泊刚度,以防止产生过大的载荷范围。这些工作对于将混合系缆应用于深水和超深水系泊具有重要的意义。
【关键词】：合成纤维缆绳 绷紧式系泊系统 动刚度 蠕变-破断 疲劳分析 粘弹性-粘塑性-损伤模型 磨合流程
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 引言13-19
• 1.2 深水合成纤维系缆研究概述19-25
• 1.2.1 合成纤维系缆关键力学参数的研究进展19-21
• 1.2.2 合成纤维系缆蠕变-破断的研究进展21-23
• 1.2.3 合成纤维系缆疲劳破坏的研究进展23-25
• 1.3 深水绷紧式系泊系统研究概述25-29
• 1.3.1 系缆材料和系泊方式发展概述25-27
• 1.3.2 系泊分析研究概述27-29
• 1.4 本文的主要研究内容29-31
• 第二章 合成纤维系缆实验技术31-40
• 2.1 引言31-32
• 2.2 合成纤维系缆实验系统32-35
• 2.3 合成纤维系缆试样35-37
• 2.4 合成纤维缆绳接头处理方法37-38
• 2.5 合成纤维缆绳实验流程38-39
• 2.6 小结39-40
• 第三章 损伤系缆动刚度特性的实验研究40-55
• 3.1 引言40
• 3.2 实验试样40-42
• 3.3 损伤系缆动刚度的实验方法、工况和流程42-45
• 3.3.1 实验方法42-43
• 3.3.2 实验工况43-44
• 3.3.3 实验流程44-45
• 3.4 损伤系缆动刚度的实验结果和讨论45-53
• 3.4.1 实验结果45-49
• 3.4.2 损伤系缆动刚度的比尺分析和实验验证49-51
• 3.4.3 损伤系缆动刚度的经验公式51-53
• 3.5 小结53-55
• 第四章 高强聚乙烯缆绳的蠕变及蠕变-破断实验研究55-66
• 4.1 引言55-56
• 4.2 蠕变实验流程56
• 4.3 缆绳试样和实验工况56-58
• 4.4 实验结果和分析58-64
• 4.4.1 实验结果58-60
• 4.4.2 结果分析60-64
• 4.5 小结64-66
• 第五章 高强聚乙烯缆绳的疲劳破坏实验研究66-80
• 5.1 引言66
• 5.2 实验试样66-67
• 5.3 实验方案和流程67-69
• 5.3.1 实验方案67-68
• 5.3.2 实验流程68-69
• 5.4 实验结果和分析69-79
• 5.4.1 载荷循环周期的影响70
• 5.4.2 张力-时间曲线70-72
• 5.4.3 应变-时间曲线72-74
• 5.4.4 张力-应变曲线74-76
• 5.4.5 动刚度随周次的演变曲线76-78
• 5.4.6 疲劳寿命计算公式78-79
• 5.5 小结79-80
• 第六章 合成纤维缆绳磨合标准的实验研究80-104
• 6.1 引言80-82
• 6.2 合成纤维缆绳磨合的定量方法82-87
• 6.2.1 磨合对合成纤维缆绳力学特性的影响82-84
• 6.2.2 合成纤维缆绳磨合程度的量化84-85
• 6.2.3 衡量缆绳磨合程度方法的合理性85-87
• 6.3 合成纤维缆绳磨合的实验流程87
• 6.4 高强聚乙烯缆绳磨合的影响因素87-97
• 6.4.1 实验方案87-89
• 6.4.2 载荷周次的影响89-91
• 6.4.3 平均张力的影响91-93
• 6.4.4 张力幅值的影响93-95
• 6.4.5 磨合程度的计算公式95-97
• 6.5 聚酯缆绳磨合的影响因素97-102
• 6.5.1 实验方案97-98
• 6.5.2 实验结果98-100
• 6.5.3 磨合程度的计算公式100-102
• 6.6 建议的磨合流程102
• 6.7 小结102-104
• 第七章 适用于深水合成纤维系缆的粘弹、损伤模型104-125
• 7.1 引言104-105
• 7.2 本构模型的热力学推导105-111
• 7.2.1 有效应力框架105-106
• 7.2.2 基本热力学公式106-107
• 7.2.3 Helmholtz自由能（状态势）107-109
• 7.2.4 耗散势和损伤演化109
• 7.2.5 粘弹损伤模型109-111
• 7.3 本构模型的参数确定111-112
• 7.4 本构模型的验证112-123
• 7.4.1 芳纶纱线112-117
• 7.4.2 高强聚乙烯子缆117-123
• 7.5 小结123-125
• 第八章 基于热力学的粘弹性、粘塑性和损伤耦合的本构模型125-144
• 8.1 引言125
• 8.2 热力学基本定律125-128
• 8.3 自由能128-129
• 8.4 粘弹模型129-131
• 8.5 粘塑模型131-133
• 8.6 损伤演化律133-135
• 8.7 本构模型的考察135-143
• 8.7.1 蠕变及蠕变-破断实验136-138
• 8.7.2 模型参数确定138-142
• 8.7.3 计算值与实验值比较142-143
• 8.8 小结143-144
• 第九章 适用于深水系泊的新型混合缆及可行性分析144-159
• 9.1 引言144-145
• 9.2 适用于深水系泊的新型混合缆145
• 9.3 FPSO数值模型和系泊系统的描述145-149
• 9.3.1 FPSO数值模型146
• 9.3.2 系泊系统描述146-149
• 9.4 系泊系统的时域动力分析149-151
• 9.4.1 时域动力分析方法149
• 9.4.2 两种系泊系统的动力分析结果149-151
• 9.5 系泊系统的疲劳分析151-157
• 9.5.1 疲劳分析方法151-153
• 9.5.2 疲劳分析结果153-157
• 9.6 小结157-159
• 第十章 结论与展望159-164
• 10.1 主要结论159-162
• 10.2 展望162-164
• 参考文献164-177
• 发表论文和参加科研情况说明177-179
• 发表论文177-178
• 参加科研情况说明178-179
• 致谢179-180

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