【摘要】：隨著海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)物疲勞壽命評(píng)估技術(shù)的日益成熟,對(duì)于海洋平臺(tái)附屬結(jié)構(gòu)物的疲勞研究也逐漸成為熱點(diǎn)。對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)的疲勞分析主要集中于導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu),而對(duì)于火炬臂這類細(xì)長桁架式結(jié)構(gòu),其主要破壞形式亦為疲勞破壞。隨著海洋石油不斷向深水海域拓展,為了適應(yīng)更加惡劣的海況條件,近年來火炬臂多采用與組塊焊接后進(jìn)行整體拖航的方案,因此,火炬臂結(jié)構(gòu)的拖航疲勞必然成為設(shè)計(jì)人員須解決的問題,然而,目前還未有學(xué)者對(duì)其做過系統(tǒng)的研究。為此,本文以導(dǎo)管架平臺(tái)火炬臂為研究對(duì)象,重點(diǎn)對(duì)其在整體拖航工況下的疲勞特性進(jìn)行分析研究。本文建立某導(dǎo)管架平臺(tái)火炬臂有限元模型,其結(jié)構(gòu)形式為傳統(tǒng)三點(diǎn)連接式,分別對(duì)其進(jìn)行在位和拖航疲勞的計(jì)算。首先,對(duì)拖航駁船的水動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析,在此基礎(chǔ)之上,計(jì)算火炬臂整體拖航工況下的疲勞損傷;其次,基于平臺(tái)在位工況下所受的不同環(huán)境條件,計(jì)算火炬臂在位工況下的波致疲勞損傷與風(fēng)致疲勞損傷;最后,綜合火炬臂的拖航疲勞損傷和在位疲勞損傷,計(jì)算拖航疲勞損傷率系數(shù),結(jié)果表明火炬臂拖航疲勞損傷不滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求且占其整個(gè)壽命周期的疲勞損傷比例很大,因此在對(duì)火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析計(jì)算時(shí),必須將拖航疲勞納入火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,提出考慮拖航疲勞的火炬臂全壽命周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化流程。為使火炬臂結(jié)構(gòu)更好的適應(yīng)海上整體拖航工況,滿足疲勞設(shè)計(jì)要求,本文對(duì)傳統(tǒng)三點(diǎn)連接式火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提出一種新型火炬臂結(jié)構(gòu)形式,并基于所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程,對(duì)新型火炬臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命周期疲勞計(jì)算;基于最大拖航疲勞損傷數(shù)值和最大損傷分布,對(duì)新型火炬臂結(jié)構(gòu)與組塊連接位置進(jìn)行局部優(yōu)化,最終給出基于疲勞的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。本文研究內(nèi)容和成果為火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論和方法指導(dǎo)。
【圖文】：

波高和波浪力成線性關(guān)系； 波浪力的計(jì)算采用線性波理論，即 AIRY 波理論； 采用平均波幅對(duì) Morison 公式中非線性拖曳力項(xiàng)進(jìn)行線性化[37]線性系統(tǒng)，即可以傳遞函數(shù)為橋梁，建立系統(tǒng)輸入與輸出之間對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物來說，傳遞函數(shù)將波浪載荷轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，再勞損傷累計(jì)理論即可計(jì)算結(jié)構(gòu)在整個(gè)壽命期內(nèi)的疲勞損傷。S-N 曲線和疲勞累計(jì)損傷-N 曲線 曲線是應(yīng)力范圍-疲勞破壞載荷循環(huán)次數(shù)曲線，通常通過代表，常用于海洋結(jié)構(gòu)物管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命評(píng)估[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45]，國規(guī)范建議的平臺(tái)構(gòu)件 S-N 曲線，包括 API RP2A 給出的兩 X 曲線和 X′曲線，DNV 推薦的 X 曲線以及非管狀節(jié)點(diǎn)的 S-NS-N 曲線如圖 2-3 所示。

必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，考慮管節(jié)點(diǎn)的腐蝕情況、壁厚尺寸、焊接質(zhì)量等因影響，對(duì) S-N 曲線得出的疲勞應(yīng)力或疲勞壽命加以修正[47]。2.管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）由于 S-N 曲線沒有考慮結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中問題，，因此，在計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍必須考慮節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）的影響，得到結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力范圍。HSS no minal SCF(2-其中，σHSS為管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力，單位為 MPa；σnominal為管節(jié)點(diǎn)名義應(yīng)單位為 MPa。名義應(yīng)力的計(jì)算是基于經(jīng)典梁理論，不考慮結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)和局部效應(yīng)的影響。撐桿在軸力（N）、面內(nèi)彎矩（MIP）和面外彎矩（MOP）的聯(lián)合作用下，于同一管節(jié)點(diǎn)截面不同位置處節(jié)點(diǎn)受力形式不同，因此，每個(gè)管節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算個(gè)熱點(diǎn)位置處的應(yīng)力，分別為管節(jié)點(diǎn)鞍點(diǎn)（saddle）、冠點(diǎn)（crown）以及二者間節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力較鞍點(diǎn)和冠點(diǎn)更高，其各部分位置以及受力形式圖 2-4 所示。
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U674.38;U661.4

【參考文獻(xiàn)】

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