本文關(guān)鍵詞：樁腿耦合緩沖器結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的數(shù)值和理論分析研究

  更多相關(guān)文章： 樁腿耦合緩沖器 橡膠堆 載荷-位移曲線 數(shù)值分析 理論推導(dǎo) 模型試驗(yàn) 簡化方法

【摘要】：浮托安裝法(Float-over)是近年來逐漸盛行的一種高效的海洋平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)安裝方法。安裝過程中,駁船和上部結(jié)構(gòu)在波浪、流和涌浪的作用下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。樁腿耦合緩沖器(Leg mating unit,簡稱LMU)被廣泛應(yīng)用于緩沖上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間的碰撞,已成為非機(jī)械式浮托安裝中最關(guān)鍵的裝置。為打破國外公司對(duì)LMU的技術(shù)壟斷,中國海洋石油工程股份有限公司與上海交通大學(xué)組織了國內(nèi)首個(gè)大型LMU緩沖裝置的研發(fā)工作,本文的研究來源于該課題。LMU的兩個(gè)主要功能是緩沖碰撞載荷和控制平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)垂向位移,它們都與橡膠堆的載荷-位移曲線直接相關(guān),因此橡膠堆是LMU最重要的部件。本文針對(duì)幾種常見的LMU的結(jié)構(gòu)形式,探討了橡膠堆載荷-位移曲線的設(shè)計(jì)要求、非線性性質(zhì)、精度要求和影響因素。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中鮮有對(duì)橡膠堆的載荷-位移特性和其影響因素的深入探討,有必要在這方面展開詳細(xì)研究。橡膠緩沖器的研究難點(diǎn)在于橡膠本身的非線性本構(gòu)關(guān)系、不可壓縮的特性和大變形及接觸摩擦等非線性因素。本文介紹了橡膠材料的試驗(yàn)和本構(gòu)模型,對(duì)適用于LMU這樣高度非線性問題的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了討論,包括隱式和顯式有限元方法、接觸摩擦算法和不可壓縮性的模擬。論文對(duì)LMU受到的碰撞載荷和沖擊時(shí)間進(jìn)行了分析,證明了LMU緩沖過程是準(zhǔn)靜態(tài)的,不用考慮橡膠粘性和應(yīng)變率的影響。論文隨后對(duì)一系列層疊橡膠堆進(jìn)行了有限元計(jì)算,掌握了摩擦系數(shù)、橡膠墊層數(shù)和直徑比對(duì)橡膠堆載荷-位移特性的影響規(guī)律;證明了在顯式計(jì)算中,可使用泊松比ν=0.499模擬不可壓縮性;揭示了橡膠堆緩沖效果與橡膠堆初始剛度的關(guān)系,并對(duì)橡膠墊的設(shè)計(jì)提出了合理的建議。論文使用網(wǎng)格映射法,CEL方法和SPH方法對(duì)LMU橡膠堆數(shù)值計(jì)算中單元扭曲的影響進(jìn)行了討論,證明其不會(huì)對(duì)論文研究中的橡膠墊數(shù)值分析造成不利影響。在上述定性規(guī)律的基礎(chǔ)上,論文對(duì)層疊橡膠墊的載荷-位移關(guān)系展開了理論研究,以進(jìn)一步對(duì)橡膠墊的設(shè)計(jì)起到深入而直接的指導(dǎo)作用。以往橡膠墊的理論研究中,橡膠基本上是被當(dāng)作線彈性材料處理的,只能得到緩沖裝置的初始剛度,無法預(yù)測(cè)其在有限變形下的響應(yīng)。鑒于此,論文基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué),使用Mooney-Rivlin非線性本構(gòu)模型對(duì)粘結(jié)在剛性板間的圓形橡膠墊和環(huán)形橡膠墊的載荷-位移關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)。其中環(huán)形橡膠墊的推導(dǎo)考慮了三種不同的邊界條件。論文給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程和最終的解析表達(dá)式。論文使用它們對(duì)一系列算例進(jìn)行了計(jì)算,并與有限元方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,證明了推導(dǎo)公式擁有很高的精度和廣泛的適用范圍。論文還將新的理論公式與已有的理論公式進(jìn)行了對(duì)比分析,并對(duì)橡膠墊的力學(xué)特性進(jìn)行了討論,從理論上對(duì)前面數(shù)值研究得到的部分結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。LMU內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在非常復(fù)雜的接觸、摩擦作用,涉及到多種非線性因素,其結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前非線性有限元法是LMU結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的主要方法。但對(duì)如此復(fù)雜的問題,數(shù)值分析中存在多鐘可能的誤差來源,研究人員往往無法確定有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差異有多大。本文介紹了國內(nèi)首次LMU的縮比模型試驗(yàn),將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與隱式非線性求解和顯式準(zhǔn)靜態(tài)求解計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,證明了這兩種方法均能真實(shí)反應(yīng)LMU模型在試驗(yàn)過程中復(fù)雜的相互作用、結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布和剛度特性,可用于實(shí)尺寸LMU的結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度校核和載荷-位移關(guān)系的數(shù)值計(jì)算。本文提出了一種適合LMU結(jié)構(gòu)初步分析的簡化有限元方法,討論了這種方法的簡化力學(xué)模型及載荷邊界條件。使用該方法和顯式準(zhǔn)靜態(tài)方法對(duì)國內(nèi)首個(gè)自主設(shè)計(jì)的LMU進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。通過兩種方法結(jié)果的比較證明了簡化方法在LMU初步結(jié)構(gòu)分析中的適用性,并對(duì)原設(shè)計(jì)中LMU結(jié)構(gòu)和橡膠堆尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。最后,對(duì)優(yōu)化后的LMU進(jìn)行了強(qiáng)度校核,并從載荷-位移曲線和能量吸收等方面對(duì)LMU的進(jìn)行了性能評(píng)估,證明了國內(nèi)自主研發(fā)的LMU結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求,安全可靠、性能優(yōu)異。本論文的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在:(1)揭示了橡膠堆層數(shù)、直徑比、摩擦等不同設(shè)計(jì)因素對(duì)其載荷-位移特性的影響規(guī)律;(2)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué),使用Mooney-Rivlin型非線性本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)了全新的圓形和環(huán)形橡膠墊在多種邊界條件下的非線性載荷-位移關(guān)系理論公式;(3)提出了可用于LMU結(jié)構(gòu)初步分析的簡化計(jì)算方法,并通過國內(nèi)首次LMU縮比模型試驗(yàn),驗(yàn)證了論文提出的理論和計(jì)算方法的正確性。
【關(guān)鍵詞】：樁腿耦合緩沖器 橡膠堆 載荷-位移曲線 數(shù)值分析 理論推導(dǎo) 模型試驗(yàn) 簡化方法
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U674.38;U671
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 緒論13-34
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 浮托法介紹14-17
• 1.3 LMU的結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計(jì)要點(diǎn)17-26
• 1.4 研究現(xiàn)狀26-32
• 1.5 研究目的和意義32
• 1.6 主要工作和創(chuàng)新32-34
• 第二章 橡膠堆剛度特性的數(shù)值分析研究34-79
• 2.1 橡膠本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)試驗(yàn)34-41
• 2.2 數(shù)值分析方法41-46
• 2.3 碰撞載荷和沖擊時(shí)間46-51
• 2.4 垂向橡膠堆的剛度特性51-65
• 2.5 LMU垂向橡膠堆的緩沖效果65-67
• 2.6 單元網(wǎng)格扭曲的影響67-78
• 2.7 本章小結(jié)78-79
• 第三章 橡膠墊非線性載荷-位移關(guān)系的理論研究79-112
• 3.1 理論研究現(xiàn)狀和待解決的問題79-80
• 3.2 圓形橡膠墊的非線性載荷-位移關(guān)系80-94
• 3.3 環(huán)形橡膠墊的非線性載荷-位移關(guān)系94-110
• 3.4 橡膠堆的等效剛度110
• 3.5 本章小結(jié)110-112
• 第四章 LMU模型試驗(yàn)及仿真計(jì)算研究112-136
• 4.1 LMU模型試驗(yàn)112-118
• 4.2 LMU試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆蔷�性有限元分析118-122
• 4.3 模型試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果122-135
• 4.4 本章小節(jié)135-136
• 第五章 LMU的結(jié)構(gòu)評(píng)估和優(yōu)化136-166
• 5.1 自主研發(fā)的LMU結(jié)構(gòu)型式136-138
• 5.2 LMU的載荷工況138-139
• 5.3 簡化分析方法139-143
• 5.4 顯式準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析143-147
• 5.5 簡化分析結(jié)果和LMU結(jié)構(gòu)優(yōu)化147-150
• 5.6 顯式準(zhǔn)靜態(tài)分析結(jié)果與橡膠堆優(yōu)化150-158
• 5.7 LMU結(jié)構(gòu)性能評(píng)估158-165
• 5.8 本章小節(jié)165-166
• 第六章 總結(jié)與展望166-168
• 6.1 總結(jié)166-167
• 6.2 展望167-168
• 參考文獻(xiàn)168-181
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文181-182
• 致謝182

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：994630