海洋工程中钢管的冲击动力响应研究

发布时间：2020-03-25 17:43

【摘要】：钢制圆管在海洋工程中十分常见,比如导管架平台的桩腿以及海底管道等。随着对海洋油气资源的开发,一些海洋平台配备了专门保护平台上设备的防护钢管。这类钢管受冲击后不能影响设备的正常运转,特别是不能产生过大的整体变形。因此研究钢管的冲击动力响应十分必要,而且要特别关注钢管的最终变形和整体与局部变形的区分。本文以这类防护钢管为主要研究对象,从实验、有限元、理论三个角度对钢管受到冲击后的损伤、变形模式和力学机理等进行了研究。主要的研究内容如下:(1)选取了5组不同管径和管长的钢管约100根,在落锤冲击实验机上进行不同冲击能量的侧向冲击实验。实验测量冲击过程中的速度、加速度以及钢管受冲击作用后产生的最终变形等。根据实验结果总结各组钢管上下表面最终变形的特征,提出定性和定量区分局部变形和整体变形的方法。通过钢管纵向轮廓线和冲击处截面的变形形状,建立更符合实际冲击过程的钢管纵向变形模式。另外,还研究了不同冲击位置对最终变形的影响。(2)使用有限元软件ABAQUS对钢管受侧向冲击的过程进行数值模拟,通过有限元与实验结果的对比,验证有限元方法的可行性。对所有有效实验的钢管进行系列有限元的仿真,佐证实验结果并对仿真结果进行进一步分析。再通过有限元方法对实验中的冲击能量进行扩展,依据实验结果以及补充的有限元结果,拟合具有实际应用价值的经验公式。(3)通过解析刚塑性梁受质量块冲击的理论模型,明确研究冲击动力响应机理的方法。比较刚塑性梁理论的计算结果和实验结果,分析该理论存在的不足。之后,分别探讨了Amdahl、Ellinas和Oliveira三人提出的用于计算钢管受冲击产生变形的经验公式。经过对比分析,总结这些公式的优势与不足。(4)发展了弹性地基梁的理论方法,使之适用于计算钢管的最终变形。保留钢管上表面作为梁,选择与实验测量截面形状相符合的截面变形模式并计算变形后的截面抗力。将截面抗力等效为弹簧,建立能够表示钢管最终变形的弹性地基梁理论模型。最后将提出的弹性地基梁模型的计算结果与实验结果进行比较,获得了较高的吻合度。
【图文】：

等海洋平台中保护输油气的管道或者泵的防护结构，这些结构通常由钢管组成，有些设置在 FPSO 外侧，如图 1-1 所示。FPSO 的碰撞问题时有发生，所以研究防护钢管很有必要。2007 年，Wang 和 Pedersen[8]对船舶与 FPSO 的碰撞风险问题进行了一次综述，主要关心 FPSO 的防碰撞设计及碰撞后果。韩国的 Cho 等[9]在 2017 年发表了一篇关于 FPSO 防护钢管的文章，主要研究内容就是防护钢管受冲击作用后的动力响应问题，其在文中指出这类钢管的直径厚度比通常在 20-40 左右。对于浮式平台上的防护钢管，其受冲击作用后关注的重点除了钢管的能量吸收、最终变形等，保证变形后的钢管不影响受保护设备的正常工作非常的重要。如果产生较大的整体变形，则势必会对平台上的设备造成影响。因此，防护钢管的变形必须区分整体变形与局部变形，以保证整体变形部分的大小在许可范围之内。

图 2 - 1 钢管材料拉伸实验实验前将引伸计通过橡皮筋绑扎在试样上，根据试样的尺寸调整万能下两端夹持部分的高度。调整完成后夹紧夹头，抽出引伸计的固定插验采用位移控制，保持速率为 5mm/min。根据引伸计和万能试验机的，可以得到各组钢管材料的工程应力-应变曲线。对于材料拉伸实验得应力-应变曲线的处理方式有很多种。在试件发生紧缩以前，可以用以实验结果转变为真实应力-应变曲线[53-54]。( 1)ln( 1)t e et eσ σ εε ε = + = + （由于上式仅在试件发生紧缩以前有效，，通常认为是在工程应力达到最所以很多人对如何根据需要继续描述真实应力-应变关系提出了自己的型的关系目前被很多人采用的，但是对于应力应变关系中的系数和指各不相同。本文在比较计算后，选择了 Zhang 等[55]2004 年文章中的(a) 万能试验机 (c)拉伸实验示意
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75

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本文编号：2600206