固定式平台拖航状态下火炬臂疲劳分析

发布时间：2020-05-04 17:53

【摘要】：随着海洋平台结构物疲劳寿命评估技术的日益成熟,对于海洋平台附属结构物的疲劳研究也逐渐成为热点。对于导管架平台的疲劳分析主要集中于导管架主体结构,而对于火炬臂这类细长桁架式结构,其主要破坏形式亦为疲劳破坏。随着海洋石油不断向深水海域拓展,为了适应更加恶劣的海况条件,近年来火炬臂多采用与组块焊接后进行整体拖航的方案,因此,火炬臂结构的拖航疲劳必然成为设计人员须解决的问题,然而,目前还未有学者对其做过系统的研究。为此,本文以导管架平台火炬臂为研究对象,重点对其在整体拖航工况下的疲劳特性进行分析研究。本文建立某导管架平台火炬臂有限元模型,其结构形式为传统三点连接式,分别对其进行在位和拖航疲劳的计算。首先,对拖航驳船的水动力特性进行计算分析,在此基础之上,计算火炬臂整体拖航工况下的疲劳损伤;其次,基于平台在位工况下所受的不同环境条件,计算火炬臂在位工况下的波致疲劳损伤与风致疲劳损伤;最后,综合火炬臂的拖航疲劳损伤和在位疲劳损伤,计算拖航疲劳损伤率系数,结果表明火炬臂拖航疲劳损伤不满足规范设计要求且占其整个寿命周期的疲劳损伤比例很大,因此在对火炬臂结构进行疲劳分析计算时,必须将拖航疲劳纳入火炬臂结构设计中,提出考虑拖航疲劳的火炬臂全寿命周期结构设计优化流程。为使火炬臂结构更好的适应海上整体拖航工况,满足疲劳设计要求,本文对传统三点连接式火炬臂结构进行改进,提出一种新型火炬臂结构形式,并基于所提出的优化设计流程,对新型火炬臂结构进行全寿命周期疲劳计算;基于最大拖航疲劳损伤数值和最大损伤分布,对新型火炬臂结构与组块连接位置进行局部优化,最终给出基于疲劳的最优设计方案。本文研究内容和成果为火炬臂结构设计和结构改进提供理论和方法指导。
【图文】：

S-N曲线,管节点,S-N曲线

波高和波浪力成线性关系；波浪力的计算采用线性波理论，即 AIRY 波理论；采用平均波幅对 Morison 公式中非线性拖曳力项进行线性化[37]线性系统，即可以传递函数为桥梁，建立系统输入与输出之间对于海洋结构物来说，传递函数将波浪载荷转化为结构应力，再劳损伤累计理论即可计算结构在整个寿命期内的疲劳损伤。S-N 曲线和疲劳累计损伤-N 曲线曲线是应力范围-疲劳破坏载荷循环次数曲线，通常通过代表，常用于海洋结构物管节点疲劳寿命评估[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45]，国规范建议的平台构件 S-N 曲线，包括 API RP2A 给出的两 X 曲线和 X′曲线，DNV 推荐的 X 曲线以及非管状节点的 S-NS-N 曲线如图 2-3 所示。

曲线,管节点

必须结合现场的实际情况，考虑管节点的腐蚀情况、壁厚尺寸、焊接质量等因影响，对 S-N 曲线得出的疲劳应力或疲劳寿命加以修正[47]。2.管节点应力集中系数（SCF）由于 S-N 曲线没有考虑结构的应力集中问题，，因此，在计算结构应力范围必须考虑节点应力集中系数（SCF）的影响，得到结构的热点应力范围。HSS no minal SCF(2-其中，σHSS为管节点热点应力，单位为 MPa；σnominal为管节点名义应单位为 MPa。名义应力的计算是基于经典梁理论，不考虑结构的几何不连续和局部效应的影响。撑杆在轴力（N）、面内弯矩（MIP）和面外弯矩（MOP）的联合作用下，于同一管节点截面不同位置处节点受力形式不同，因此，每个管节点分别计算个热点位置处的应力，分别为管节点鞍点（saddle）、冠点（crown）以及二者间节点，中间节点的热点应力较鞍点和冠点更高，其各部分位置以及受力形式图 2-4 所示。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.38;U661.4

【参考文献】