本文關(guān)鍵詞：合成纖維系纜的復(fù)雜力學(xué)性能及其對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響

  更多相關(guān)文章： 合成纖維纜繩 繃緊式系泊系統(tǒng) 動(dòng)剛度 蠕變-破斷 疲勞分析 粘彈性-粘塑性-損傷模型 磨合流程

【摘要】：海洋浮式結(jié)構(gòu)物的定位技術(shù)是海洋資源開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著海洋油氣資源開發(fā)不斷向深水和超深水海域挺進(jìn),繃緊式系泊系統(tǒng)成為備受青睞的定位方式。然而合成纖維纜繩具有復(fù)雜的力學(xué)性能,有別于鋼鏈和鋼纜,因此針對(duì)合成纖維纜繩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論模型開發(fā)具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。此外,由于系纜的差異將導(dǎo)致系泊系統(tǒng)的響應(yīng)發(fā)生變化,因此在深入把握合成纖維纜繩力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,探究系纜力學(xué)性能演變對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響也備受海洋工程界的關(guān)注。為了保障系泊系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行,本文圍繞合成纖維系纜的復(fù)雜力學(xué)性能和其對(duì)系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響這兩個(gè)重要專題開展了研究。首先,設(shè)計(jì)研發(fā)了合成纖維纜繩實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并提出了合成纖維纜繩的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程,特別是對(duì)纜繩接頭處理技術(shù)(環(huán)眼插編法)進(jìn)行了詳細(xì)說明。以此為基礎(chǔ),為了深入地把握合成纖維纜繩的力學(xué)特性,分別研究了損傷纖維纜繩的動(dòng)剛度演變,高強(qiáng)聚乙烯(HMPE)纜繩的蠕變和蠕變-破斷性能,高強(qiáng)聚乙烯纜繩疲勞性能以及纜繩的磨合(Bedding-in)標(biāo)準(zhǔn)流程。(1)通過研究損傷合成纖維系纜的動(dòng)剛度演變,發(fā)現(xiàn)纜繩的損傷度、平均張力、應(yīng)變幅值和循環(huán)載荷周次都對(duì)纜繩的動(dòng)剛度有影響。因此,基于量綱分析的方法,提出了綜合考慮這四種影響因素的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式,發(fā)現(xiàn)此動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式所得的計(jì)算值與對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值吻合度很好,并可以利用小尺寸受損纜繩動(dòng)剛度推測(cè)較大尺寸受損纜繩的動(dòng)剛度。(2)通過高強(qiáng)聚乙烯子纜蠕變和蠕變-破斷的實(shí)驗(yàn)研究可知,高強(qiáng)聚乙烯試樣的蠕變-破斷曲線存在三個(gè)階段,并提出了可以計(jì)算高強(qiáng)聚乙烯纜繩第二階段蠕變率的經(jīng)驗(yàn)公式,以用于纜繩蠕變量的估算。此外,還提出了一經(jīng)驗(yàn)公式用于計(jì)算高強(qiáng)聚乙烯纜繩在定常載荷下的蠕變壽命。(3)對(duì)高強(qiáng)聚乙烯纜繩開展了系統(tǒng)的疲勞實(shí)驗(yàn)研究,考察了平均張力和張力幅值對(duì)疲勞壽命的影響,給出了纜繩整個(gè)壽命周期下的張力-時(shí)間、應(yīng)變-時(shí)間、張力-應(yīng)變和動(dòng)剛度演變曲線,發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)聚乙烯纜繩疲勞破壞的平均應(yīng)變約為7%,并對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,首次提出了提出了考慮平均張力和張力幅值影響的疲勞壽命計(jì)算公式。(4)通過系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究,提出了采用合成纖維纜繩張力-應(yīng)變曲線的斜率作為纜繩磨合程度的量化指標(biāo),并提出了前期加載為循環(huán)載荷時(shí),合成纖維纜繩磨合程度的計(jì)算公式,統(tǒng)一了所有纖維纜繩實(shí)驗(yàn)規(guī)范對(duì)纜繩磨合的認(rèn)識(shí)。根據(jù)合成纖維纜繩磨合所施加的力載荷范圍和載荷周次不宜過大、時(shí)間不宜過長(zhǎng)等原則,建議了合成纖維纜繩的磨合流程。該研究有助于準(zhǔn)確定義纜繩的載荷歷史,同時(shí)有助于準(zhǔn)確獲得纜繩初期加載對(duì)力學(xué)特性的影響。其次,為了刻畫合成纖維纜繩蠕變-破斷行為,從熱力學(xué)框架出發(fā),建立了粘彈性和損傷耦合的本構(gòu)模型,并詳細(xì)地介紹了模型參數(shù)的確定方法,該方法可用于合成纖維纜繩任一組分(比如纖維、紗線、子纜和纜繩)的參數(shù)確定。研究表明所提出的蠕變-破斷模型采用少量短期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可標(biāo)定模型參數(shù),然后可以高效地預(yù)測(cè)在其他載荷水平下合成纖維纜繩全壽命周期的蠕變-破斷響應(yīng)�？傮w來說,模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度較高。此外,為了更加準(zhǔn)確地刻畫合成纖維纜繩的力學(xué)特性,特別是為了更好地刻畫合成纖維纜繩在復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)行為,建立了粘彈性、粘塑性以及損傷相耦合的本構(gòu)模型,并采用新的蠕變-破斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新模型的準(zhǔn)確性和可靠性。最后,基于系泊纜繩力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)和把握,提出了一新型混合纜。為了考察該混合系纜的可行性,采用鋼鏈-高強(qiáng)聚乙烯纜繩-聚酯纜繩-鋼鏈所組成的新型繃緊式系泊系統(tǒng)開展了動(dòng)力響應(yīng)和疲勞分析,并將所得的數(shù)值結(jié)果與采用鋼鏈-聚酯纜繩-鋼鏈所組成的傳統(tǒng)繃緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)新型繃緊式系泊系統(tǒng)可以有效地減小浮式平臺(tái)的偏移量,但是需要注意調(diào)整高強(qiáng)聚乙烯纜繩和聚酯纜繩的長(zhǎng)度比例,設(shè)計(jì)出適宜的系泊剛度,以防止產(chǎn)生過大的載荷范圍。這些工作對(duì)于將混合系纜應(yīng)用于深水和超深水系泊具有重要的意義。
【關(guān)鍵詞】：合成纖維纜繩 繃緊式系泊系統(tǒng) 動(dòng)剛度 蠕變-破斷 疲勞分析 粘彈性-粘塑性-損傷模型 磨合流程
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U674.38
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-31
• 1.1 引言13-19
• 1.2 深水合成纖維系纜研究概述19-25
• 1.2.1 合成纖維系纜關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)的研究進(jìn)展19-21
• 1.2.2 合成纖維系纜蠕變-破斷的研究進(jìn)展21-23
• 1.2.3 合成纖維系纜疲勞破壞的研究進(jìn)展23-25
• 1.3 深水繃緊式系泊系統(tǒng)研究概述25-29
• 1.3.1 系纜材料和系泊方式發(fā)展概述25-27
• 1.3.2 系泊分析研究概述27-29
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容29-31
• 第二章 合成纖維系纜實(shí)驗(yàn)技術(shù)31-40
• 2.1 引言31-32
• 2.2 合成纖維系纜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)32-35
• 2.3 合成纖維系纜試樣35-37
• 2.4 合成纖維纜繩接頭處理方法37-38
• 2.5 合成纖維纜繩實(shí)驗(yàn)流程38-39
• 2.6 小結(jié)39-40
• 第三章 損傷系纜動(dòng)剛度特性的實(shí)驗(yàn)研究40-55
• 3.1 引言40
• 3.2 實(shí)驗(yàn)試樣40-42
• 3.3 損傷系纜動(dòng)剛度的實(shí)驗(yàn)方法、工況和流程42-45
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)方法42-43
• 3.3.2 實(shí)驗(yàn)工況43-44
• 3.3.3 實(shí)驗(yàn)流程44-45
• 3.4 損傷系纜動(dòng)剛度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論45-53
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果45-49
• 3.4.2 損傷系纜動(dòng)剛度的比尺分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證49-51
• 3.4.3 損傷系纜動(dòng)剛度的經(jīng)驗(yàn)公式51-53
• 3.5 小結(jié)53-55
• 第四章 高強(qiáng)聚乙烯纜繩的蠕變及蠕變-破斷實(shí)驗(yàn)研究55-66
• 4.1 引言55-56
• 4.2 蠕變實(shí)驗(yàn)流程56
• 4.3 纜繩試樣和實(shí)驗(yàn)工況56-58
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析58-64
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果58-60
• 4.4.2 結(jié)果分析60-64
• 4.5 小結(jié)64-66
• 第五章 高強(qiáng)聚乙烯纜繩的疲勞破壞實(shí)驗(yàn)研究66-80
• 5.1 引言66
• 5.2 實(shí)驗(yàn)試樣66-67
• 5.3 實(shí)驗(yàn)方案和流程67-69
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)方案67-68
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)流程68-69
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析69-79
• 5.4.1 載荷循環(huán)周期的影響70
• 5.4.2 張力-時(shí)間曲線70-72
• 5.4.3 應(yīng)變-時(shí)間曲線72-74
• 5.4.4 張力-應(yīng)變曲線74-76
• 5.4.5 動(dòng)剛度隨周次的演變曲線76-78
• 5.4.6 疲勞壽命計(jì)算公式78-79
• 5.5 小結(jié)79-80
• 第六章 合成纖維纜繩磨合標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)研究80-104
• 6.1 引言80-82
• 6.2 合成纖維纜繩磨合的定量方法82-87
• 6.2.1 磨合對(duì)合成纖維纜繩力學(xué)特性的影響82-84
• 6.2.2 合成纖維纜繩磨合程度的量化84-85
• 6.2.3 衡量纜繩磨合程度方法的合理性85-87
• 6.3 合成纖維纜繩磨合的實(shí)驗(yàn)流程87
• 6.4 高強(qiáng)聚乙烯纜繩磨合的影響因素87-97
• 6.4.1 實(shí)驗(yàn)方案87-89
• 6.4.2 載荷周次的影響89-91
• 6.4.3 平均張力的影響91-93
• 6.4.4 張力幅值的影響93-95
• 6.4.5 磨合程度的計(jì)算公式95-97
• 6.5 聚酯纜繩磨合的影響因素97-102
• 6.5.1 實(shí)驗(yàn)方案97-98
• 6.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果98-100
• 6.5.3 磨合程度的計(jì)算公式100-102
• 6.6 建議的磨合流程102
• 6.7 小結(jié)102-104
• 第七章 適用于深水合成纖維系纜的粘彈、損傷模型104-125
• 7.1 引言104-105
• 7.2 本構(gòu)模型的熱力學(xué)推導(dǎo)105-111
• 7.2.1 有效應(yīng)力框架105-106
• 7.2.2 基本熱力學(xué)公式106-107
• 7.2.3 Helmholtz自由能（狀態(tài)勢(shì)）107-109
• 7.2.4 耗散勢(shì)和損傷演化109
• 7.2.5 粘彈損傷模型109-111
• 7.3 本構(gòu)模型的參數(shù)確定111-112
• 7.4 本構(gòu)模型的驗(yàn)證112-123
• 7.4.1 芳綸紗線112-117
• 7.4.2 高強(qiáng)聚乙烯子纜117-123
• 7.5 小結(jié)123-125
• 第八章 基于熱力學(xué)的粘彈性、粘塑性和損傷耦合的本構(gòu)模型125-144
• 8.1 引言125
• 8.2 熱力學(xué)基本定律125-128
• 8.3 自由能128-129
• 8.4 粘彈模型129-131
• 8.5 粘塑模型131-133
• 8.6 損傷演化律133-135
• 8.7 本構(gòu)模型的考察135-143
• 8.7.1 蠕變及蠕變-破斷實(shí)驗(yàn)136-138
• 8.7.2 模型參數(shù)確定138-142
• 8.7.3 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較142-143
• 8.8 小結(jié)143-144
• 第九章 適用于深水系泊的新型混合纜及可行性分析144-159
• 9.1 引言144-145
• 9.2 適用于深水系泊的新型混合纜145
• 9.3 FPSO數(shù)值模型和系泊系統(tǒng)的描述145-149
• 9.3.1 FPSO數(shù)值模型146
• 9.3.2 系泊系統(tǒng)描述146-149
• 9.4 系泊系統(tǒng)的時(shí)域動(dòng)力分析149-151
• 9.4.1 時(shí)域動(dòng)力分析方法149
• 9.4.2 兩種系泊系統(tǒng)的動(dòng)力分析結(jié)果149-151
• 9.5 系泊系統(tǒng)的疲勞分析151-157
• 9.5.1 疲勞分析方法151-153
• 9.5.2 疲勞分析結(jié)果153-157
• 9.6 小結(jié)157-159
• 第十章 結(jié)論與展望159-164
• 10.1 主要結(jié)論159-162
• 10.2 展望162-164
• 參考文獻(xiàn)164-177
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明177-179
• 發(fā)表論文177-178
• 參加科研情況說明178-179
• 致謝179-180

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本文編號(hào)：1084674