基于裂纹损伤的新型复合立管剩余强度研究

发布时间：2017-03-29 22:13

  本文关键词：基于裂纹损伤的新型复合立管剩余强度研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：立管作为海洋油气资源开发必不可少的设备之一,它连接了海底采油设备和海平面的作业平台。与浅海立管相比,深水立管所处的环境更为恶劣。在深海采油领域中,复合立管由于结构形式比较丰富、力学性能优良应用越来越广泛。深水立管受到环境载荷、材料腐蚀、疲劳裂纹等因素的不利影响,造成立管整体抵抗力衰减,影响了结构服役的安全性和持久性,从而对海上环境造成了威胁。为了避免海上事故的发生和造成不必要的经济损失,立管结构的性能评估备受关注,而损伤结构的剩余强度研究是立管性能评估的关键内容。本文以新型复合立管为研究对象,首先分析了在典型工况下立管整体强度,确定了损伤敏感区域,并基于断裂力学原理确定时变裂纹尺寸。在此基础上针对关键易损构件,考虑材料腐蚀和疲劳裂纹两种因素影响,对立管结构剩余寿命和剩余强度的变化进行了深入研究。具体研究工作如下:1、简单介绍了表面裂纹及损伤后海洋结构物极限强度的研究现状,详细介绍了结构极限强度的计算方法。2、阐述了基于断裂力学原理的疲劳裂纹扩展方法与求解过程中结构存在的非线性问题,并引入多尺度建模思想对新型复合立管局部损伤进行分析。3、根据立管结构形式与设计参数,推导出复合立管螺旋钢带层弯曲刚度的计算公式,并使用ABAQUS有限元软件对新型复合立管在弯曲载荷下的响应进行了有限元分析,将理论推导结果与有限元计算结果进行对比,验证了计算公式的正确性。4、根据立管结构整体应力分布,确定热点位置,并建立了多尺度模型;基于断裂力学裂纹扩展原理确定了时变裂纹尺寸,研究了表面裂纹在长度和深度两个方向的扩展规律,并探讨了表面裂纹在两个方向扩展过程中相互影响规律;考察了初始裂纹尺寸、腐蚀壁厚因素对立管剩余寿命的影响。5、建立了含时变裂纹损伤的关键构件模型,得到关键构件在时变裂纹损伤下剩余强度的变化规律。选择裂纹损伤对立管整体承载力影响较大的区域为研究对象,分析了初始裂纹尺寸及腐蚀壁厚因素对立管结构剩余强度的影响。
【关键词】：新型复合立管 裂纹损伤 剩余强度 多尺度有限元 非线性分析
【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】：TE95;P756.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 课题研究的背景和意义12-13
• 1.2 裂纹损伤对海洋钢结构剩余强度的研究现状13-19
• 1.2.1 表面裂纹研究现状13-15
• 1.2.2 剩余疲劳寿命的研究现状15-16
• 1.2.3 剩余强度研究现状16-17
• 1.2.4 极限强度计算方法17-19
• 1.3 论文主要研究内容及创新点19-22
• 第2章 含裂纹损伤结构的极限强度研究方法22-34
• 2.1 引言22
• 2.2 裂纹的种类22-23
• 2.3 基于断裂力学的疲劳裂纹扩展23-25
• 2.4 非线性有限元法25-32
• 2.4.1 非线性因素和基本流程25-26
• 2.4.2 非线性有限元解法26-32
• 2.5 多尺度有限元方法32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 新型复合立管多尺度模型的构建34-55
• 3.1 引言34
• 3.2 单节立管有限元模型34-37
• 3.2.1 新型复合立管的简介34-35
• 3.2.2 复合立管的基本参数35-37
• 3.2.3 单节立管有限元模型的建立37
• 3.3 环境载荷与边界条件的确定37-43
• 3.3.1 立管作业海况资料37-40
• 3.3.2 海流载荷40
• 3.3.3 波浪载荷40-42
• 3.3.4 立管的边界条件42-43
• 3.4 立管等效刚度43-49
• 3.4.1 弯曲响应理论43-46
• 3.4.2 新型复合立管等效刚度的验证46-49
• 3.5 结构损伤敏感区的确定及多尺度模型构建49-53
• 3.5.1 结构损伤敏感区域的确定50-51
• 3.5.2 立管多尺度模型的构建51-53
• 3.6 本章小结53-55
• 第4章 新型复合立管的剩余疲劳寿命研究55-75
• 4.1 引言55
• 4.2 疲劳裂纹尺寸的确定55-64
• 4.2.1 初始疲劳裂纹尺寸的确定55
• 4.2.2 裂纹扩展参数的选取55
• 4.2.3 疲劳裂纹扩展的判断55-57
• 4.2.4 临界裂纹尺寸计算57
• 4.2.5 疲劳裂纹扩展计算方法57-64
• 4.3 裂纹扩展下复合立管疲劳寿命分析64-71
• 4.3.1 热点区域裂纹损伤下的疲劳寿命65-67
• 4.3.2 初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响67-71
• 4.4 壁厚腐蚀对复合立管疲劳寿命的影响71-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第5章 裂纹损伤下新型复合立管的极限强度研究75-85
• 5.1 引言75
• 5.2 关键构件模型的建立75-77
• 5.3 关键构件极限强度的研究77-83
• 5.3.1 无损条件下关键构件的极限强度计算77-78
• 5.3.2 关键构件损伤下的剩余极限强度分析78-80
• 5.3.3 壁厚腐蚀对关键构件剩余极限强度的影响80-83
• 5.4 本章小结83-85
• 第6章 总结与展望85-87
• 6.1 论文主要研究工作及结论85-86
• 6.2 未来展望86-87
• 参考文献87-90
• 攻读硕士学位期间发表的论文90-91
• 致谢91

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本文编号：275536