深水自升式海洋平台碰撞性能研究

发布时间：2017-07-08 19:01

  本文关键词：深水自升式海洋平台碰撞性能研究

  更多相关文章： 自升式海洋平台 材料校准 模型化技术 碰撞性能 数值仿真

【摘要】：经济全球化使人口、资源、环境等面临着严峻的考验。尤其是随着陆地资源的日渐减少,能源短缺问题显得尤为突出,而海洋拥有充足的油气能源,可以有效的解决能源短缺问题,因此进入海洋油气时代显得势在必行。如今,自升式钻井平台作为海上油气开采的主力军,占海上移动式平台的60%以上,且接近88%的平台服役期已超过20年。此外,通过对海上平台损伤原因过统计分析发现,31%的损伤是由碰撞引起的,且每年有大约0.15%的海洋平台遭受各种各样的碰撞而不得不停止运转进行维修,同时,碰撞事故不仅会带来巨大的经济损失,甚至还有可能造成环境污染及人员伤亡等灾难性后果。因此,在新一轮自升式钻井平台的研发设计过程中,开展相关碰撞性能研究,为相关规范制定提供依据,对于保证平台结构安全性势在必行。本论文以国家自然科学基金项目为背景,首先,基于船舶与海洋结构典型材料力学性能试验,开展了材料动态非线性输入的校准研究,并通过结构的落锤冲击试验,验证完善仿真分析技术的可靠性;然后,开展了自升式平台碰撞仿真的模型化技术研究,着重解决大型自升式海洋平台在建模和计算分析过程中遇到的问题,建立了准确高效的仿真分析方法;最后,基于仿真分析技术,开展了船舶与自升式海洋平台的碰撞性能分析,并系统研究各碰撞参数对平台结构碰撞性能的影响规律,全面评估自升式海洋平台的碰撞性能。本文主要研究内容如下:(1)归纳整理了相关碰撞事故数据及规范要求,通过分析各工况对工作平台的危害性确定船舶与自升式海洋平台碰撞事故的典型计算场景,为后续碰撞性能评估提供了基础。(2)开展了船舶与自升式海洋平台碰撞问题数值仿真校准研究。基于海洋工程结构典型材料准静态拉伸试验结果,修正校准了仿真计算中直接影响计算结果准确性的材料非线性参数,给出了计及材料硬化及应变率敏感性影响的材料应力-应变曲线和材料单元最大失效应变修正曲线,并通过开展船体板架结构落锤冲击试验及其仿真分析,验证了仿真分析方法的可靠性。(3)以自升式海洋平台典型节点为研究对象,提出了适用于自升式海洋平台碰撞性能分析的“板-梁”耦合技术,通过对“板-梁”耦合模型及板壳模型进行碰撞对比研究,验证其可靠性;针对碰撞问题对桁架式桩腿与地基的相互作用进行系统的研究,探讨桁架式桩腿自升式平台等效约束情况,通过对比“桩-土”耦合模型、铰支约束模型和刚性固定约束模型的碰撞计算结果,确定在研究大型桁架式平台碰撞问题时可以采用铰支约束来代替土壤对桩的约束作用。(4)以某深水自升式海洋平台为研究对象,分析其在典型碰撞场景下的碰撞力、损伤变形、能量吸收等关键参数,评估其碰撞性能。研究发现,平台的碰撞损伤具有明显的局部特性,碰撞区域的弦杆和撑杆以弯曲失稳为主,其中撑杆为主要的吸能构件,位于水平撑杆和弦杆连接节点位置的单元出现断裂失效。(5)通过改变撞击参数(如撞击船质量、初速度、撞击角度等),研究撞击参数对平台碰撞性能的影响规律。研究发现,随着撞击船质量和撞击船速度的增加,带来了的冲击能量也越大,碰撞区域结构的损伤变形越来越严重;随着撞击角度变大,平台结构的变形吸能逐渐减少,而平台动能逐渐增加。
【关键词】：自升式海洋平台 材料校准 模型化技术 碰撞性能 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】：U674.381
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 主要符号说明13-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 研究背景与意义14-16
• 1.2 国内外船舶与海洋结构物碰撞的研究现状16-24
• 1.2.1 碰撞力学外部机理16-17
• 1.2.2 碰撞力学内部机理17-22
• 1.2.3 流-固耦合碰撞机理22-23
• 1.2.4 桩-土相互作用研究23-24
• 1.3 本文主要工作及创新点24-26
• 1.3.1 本文主要工作24-25
• 1.3.2 本文的创新点25-26
• 第二章 船舶与自升式海洋平台碰撞仿真方法研究26-36
• 2.1 引言26
• 2.2 船舶与自升式海洋平台碰撞非线性有限元法26-28
• 2.3 船舶与自升式海洋平台碰撞仿真模型化技术28-30
• 2.3.1 模型分析方法28-29
• 2.3.2 模型的建立29
• 2.3.3 模型网格的划分29-30
• 2.3.4 接触与穿透30
• 2.3.5 计算过程中可能遇到的问题30
• 2.4 船舶与自升式海洋平台碰撞仿真场景分析30-35
• 2.4.1 碰撞事故的历史统计31-33
• 2.4.2 碰撞场景的规范要求33-34
• 2.4.3 碰撞典型场景34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 船舶与自升式海洋平台碰撞问题数值仿真校准研究36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 材料非线性仿真输入校准分析36-44
• 3.2.1 材料准静态拉伸试验36-38
• 3.2.2 材料非线性仿真输入分析38-44
• 3.3 仿真分析方法验证44-48
• 3.3.1 落锤冲击试验45
• 3.3.2 落锤冲击仿真模拟45-46
• 3.3.3 碰撞结果对比分析46-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 自升式海洋平台碰撞问题的模型化技术研究50-70
• 4.1 引言50
• 4.2“板-梁”耦合技术50-56
• 4.2.1 碰撞有限元模型50-52
• 4.2.2 结果对比分析52-56
• 4.3“桩-土”耦合技术56-68
• 4.3.1 土体本构56-60
• 4.3.2 碰撞有限元模型60-64
• 4.3.3 结果对比分析64-68
• 4.4 本章小结68-70
• 第五章 自升式海洋平台碰撞性能研究70-96
• 5.1 引言70
• 5.2 自升式海洋平台碰撞性能分析70-77
• 5.2.1 碰撞有限元模型70-72
• 5.2.2 仿真计算结果及分析72-77
• 5.3 撞击参数对平台碰撞性能的影响77-93
• 5.3.1 撞击船质量77-80
• 5.3.2 撞击船速度80-84
• 5.3.3 撞击角度84-88
• 5.3.4 撞击形式88-90
• 5.3.5 船艏形式90-93
• 5.4 本章小结93-96
• 第六章 总结与展望96-100
• 6.1 主要研究工作及结论96-97
• 6.2 进一步的研究工作展望97-100
• 参考文献100-104
• 攻读硕士学位期间发表的论文104-106
• 致谢106

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本文编号：535829