核发电船（平台）结构疲劳强度分析与优化设计研究

发布时间：2020-08-09 21:05

【摘要】：疲劳损伤是船舶和海洋工程结构失效的主要原因之一。随着人们对石油和天然气等海洋油气资源的需求日益增大,海洋核电平台受到了人们的关注。海洋核电平台作为小型核反应堆和船舶工程的有机结合体,本身不搭载任何动力系统,在其作业使用时由其他船只拖航至工作地点,为海上天然气、石油勘探平台提供电力、热力和淡水资源。核电平台的疲劳评估与常规船舶在波浪载荷、结构特点、设计疲劳寿命、安全性要求等都有所不同,本文研究了海洋核电平台的疲劳强度评估方法和典型节点优化设计,主要内容如下:1)使用CCS规范简化计算法对海洋核电平台进行疲劳强度评估。阐述了规范中关于疲劳评估简化计算的基本原理,详细地介绍了简化计算的内容和步骤,包括疲劳载荷的计算、简化应力的分析、S-N曲线的选取、疲劳累计损伤度以及疲劳寿命的计算。选取船中和首尾1/4处三个典型剖面,对剖面上的纵骨节点进行疲劳评估,并根据疲劳简化计算的结果进行具体分析。2)结合海洋核电平台自身的特点以及谱分析法的基本原理和分析流程,提出一套适用于海洋核电平台疲劳谱分析评估的方法。详细地论述了谱分析法的原理,包括应力响应的传递函数、应力的响应谱、应力范围的短期分布、应力范围的长期分布以及疲劳累积损伤的计算。结合海洋核电平台的特点,对具体操作问题进行了说明,如有限元建模及有限元细化原则、腐蚀余量的考虑、波浪载荷的计算、热点位置的选取、PCL自动加载技术、热点应力插值的计算以及应力的提取等,从而形成了基于谱分析法的海洋核电平台疲劳强度评估方法。3)结合海洋核电平台自身结构的特性,针对单点系泊工作状态以及拖船拖航状态采用首向浪向不等概率分布和全浪向等概率分布两套不同的波浪载荷进行疲劳强度分析。根据谱分析的计算结果,分别得出各浪向所造成的疲劳损伤度,从各浪向所贡献的疲劳损伤度占比、海况资料、热点结构位置、是否满足设计疲劳寿命的角度进行具体分析。4)阐述了尺寸优化、形状优化以及拓扑优化三种优化方法的基本原理和操作流程。结合海洋核电平台结构的特点和谱分析法疲劳损伤度的计算结果,选取部分典型节点进行尺寸优化和形状优化设计。通过优化改进方案,有效地降低节点结构的应力水平,验证优化方法的可行性和合理性,提高了节点的抗疲劳能力,可以为海洋核电平台的结构设计提供参考。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623;U674.38
【图文】：

示意图,水动压力,相位系数,位置

的幅值系数，可按下式（２－２９）、（２－３０）、（２－３１）计算；为Ｈ１和Ｈ２工况所对应的逡逑沿船体纵向的相位系数，可按下表２．８取值；和Ｆ２工况所对应的沿船体纵向逡逑的相位系数，可按下表２．９取值。；＾２的分布如图２．１所示。逡逑？邋？逦ＩＺｙ邋￣ｈ邋Ａ．邋一邋１２５＾邋ｚ邋ｌ＾ｙｌ逦＾邋＼逡逑ＰＨＦ＝ｆＪｒｆｐＣｊ逦逦逦（－１—＋邋＾邋＋邋１）逦（２－２６）逡逑ｖ邋Ｌ逦ｄＬＣ，邋Ｂ，逡逑式中，对于工况ＨＩ、Ｈ２，系数／；，取１．５，对于工况ＦＩ、Ｆ２，系数久取２．６；马为所逡逑选取横剖面水线位置对应的船宽；Ｚ的取值不应大于＜ａ；邋／Ｉ为波长；Ｘ，，逡逑＾为计算点的坐标值。逡逑‘＝１邋＋旱（１－＾１）＾－0．５邋当邋０＿０＜ｘ／Ｋ０．５邋时逦（２－２７）逡逑＾＝ｌ邋＋邋Ａ（３＿ｔｅｌ）￡－0．５逦当邋０．５＜ｘ／Ｌ＜１．０邋时逦（２－２８）逡逑Ｕ＝ｌ邋＋邋（３．５－２逦当邋０＜ｘ／Ｌ＜０．２时逦（２－２９）逡逑ａ邋Ｂｔ邋Ｌ逡逑１＝１．０逦当邋０．２Ｓｘ／Ｌ＜０．９时逦（２－３０）逡逑１邋＋邋１５（１－０．９）逦当邋０．９ＳＸ／ＬＳ１．０邋时逦（２－３１）逡逑Ｂｉ邋Ｌ逡逑１５逡逑

示意图,水动压力,载荷工况,位置

第２章疲劳强度评估简化方法逡逑对于工况ＲＩＰ、Ｒ２Ｐ、Ｒ１Ｓ以及Ｒ２Ｓ，水线下外板上任意某点的水动压力计算逡逑公式如下表２．１０所不。压力分布由图２．２所ｔｋ。逡逑表２．１０载荷工况Ｒ１Ｐ、Ｒ２Ｐ、Ｒ１Ｓ和Ｒ２Ｓ的水动压力逡逑载荷工况逦水动压力（ｋＮ／ｍ２）逡逑逦ＲＩＰ逦Ｐｍｐ＝ＰＲＰ逦逡逑逦Ｒ２Ｐ逦Ｐｒ２ｐ＝－Ｐｒｐ逦逡逑逦Ｒ１Ｓ逦Ｐｍｓ＝ＰＲＳ逦逡逑逦Ｒ２Ｓ逦Ｐｒ２Ｓ＝－Ｐｒｓ逦逡逑表中，４、４可按下式（２－３２）、（２－３３）所示：逡逑ＰＲＰ邋＝邋１０邋ｊ邋ｓｉｎ邋＾邋＋邋0．８８／ｒｆＰＣ邋１＾＾邋ｆ邋＾邋＋邋０逦（２－３２）逡逑ｖ逦Ｌ逦＼邋Ｂ邋）逡逑＾邋＝邋－１ｓｉｎ邋＾邋＋邋0Ｍｆｒ／Ｐｃ邋［＾ｆ＾｜邋＾邋＋１］逦（２－３３）逡逑Ｖ逦Ｌ逦、Ｂ邋Ｊ逡逑式中，０为最大横摇角；；ｌ为波长，可按下式（２－３４）进行计算；７＾为横摇的遭遇逡逑周期。逡逑入＝逦（２－３４）逡逑Ｉｎ逡逑左眩逦叐逦右舷左ｉｓ逦｜逦右舷逡逑ｉｆ，：逡逑图２．２船中位置处水动压力和＆的分布示意图逡逑对于工况Ｐ１Ｐ、Ｐ２Ｐ、Ｐ１Ｓ和Ｐ２Ｓ，船体外板水线下任意某点的水动压力化见表２．１１。逡逑压力分布由图２．３所示。逡逑表２．１１载荷工况Ｐ１Ｐ、Ｐ２Ｐ、Ｐ１Ｓ和Ｐ２Ｓ的水动压力逡逑载荷工况逦水动压力（ｋＮ／ｍ２）逡逑逦ＰＩＰ逦ＰｎＰ＝邋Ｐｐｐ逦逡逑Ｐ２Ｐ逦Ｐｐ２ｐ＝￣Ｐｐｐ逡逑逦Ｐ＇Ｓ逦逦ｐｎｓ＝邋Ｐｐｓ

示意图,水动压力,和分布,载荷工况

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