【摘要】：鋼制圓管在海洋工程中十分常見,比如導(dǎo)管架平臺的樁腿以及海底管道等。隨著對海洋油氣資源的開發(fā),一些海洋平臺配備了專門保護平臺上設(shè)備的防護鋼管。這類鋼管受沖擊后不能影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn),特別是不能產(chǎn)生過大的整體變形。因此研究鋼管的沖擊動力響應(yīng)十分必要,而且要特別關(guān)注鋼管的最終變形和整體與局部變形的區(qū)分。本文以這類防護鋼管為主要研究對象,從實驗、有限元、理論三個角度對鋼管受到?jīng)_擊后的損傷、變形模式和力學(xué)機理等進行了研究。主要的研究內(nèi)容如下:(1)選取了5組不同管徑和管長的鋼管約100根,在落錘沖擊實驗機上進行不同沖擊能量的側(cè)向沖擊實驗。實驗測量沖擊過程中的速度、加速度以及鋼管受沖擊作用后產(chǎn)生的最終變形等。根據(jù)實驗結(jié)果總結(jié)各組鋼管上下表面最終變形的特征,提出定性和定量區(qū)分局部變形和整體變形的方法。通過鋼管縱向輪廓線和沖擊處截面的變形形狀,建立更符合實際沖擊過程的鋼管縱向變形模式。另外,還研究了不同沖擊位置對最終變形的影響。(2)使用有限元軟件ABAQUS對鋼管受側(cè)向沖擊的過程進行數(shù)值模擬,通過有限元與實驗結(jié)果的對比,驗證有限元方法的可行性。對所有有效實驗的鋼管進行系列有限元的仿真,佐證實驗結(jié)果并對仿真結(jié)果進行進一步分析。再通過有限元方法對實驗中的沖擊能量進行擴展,依據(jù)實驗結(jié)果以及補充的有限元結(jié)果,擬合具有實際應(yīng)用價值的經(jīng)驗公式。(3)通過解析剛塑性梁受質(zhì)量塊沖擊的理論模型,明確研究沖擊動力響應(yīng)機理的方法。比較剛塑性梁理論的計算結(jié)果和實驗結(jié)果,分析該理論存在的不足。之后,分別探討了Amdahl、Ellinas和Oliveira三人提出的用于計算鋼管受沖擊產(chǎn)生變形的經(jīng)驗公式。經(jīng)過對比分析,總結(jié)這些公式的優(yōu)勢與不足。(4)發(fā)展了彈性地基梁的理論方法,使之適用于計算鋼管的最終變形。保留鋼管上表面作為梁,選擇與實驗測量截面形狀相符合的截面變形模式并計算變形后的截面抗力。將截面抗力等效為彈簧,建立能夠表示鋼管最終變形的彈性地基梁理論模型。最后將提出的彈性地基梁模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較,獲得了較高的吻合度。
【圖文】：

等海洋平臺中保護輸油氣的管道或者泵的防護結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常由鋼管組成，有些設(shè)置在 FPSO 外側(cè)，如圖 1-1 所示。FPSO 的碰撞問題時有發(fā)生，所以研究防護鋼管很有必要。2007 年，Wang 和 Pedersen[8]對船舶與 FPSO 的碰撞風(fēng)險問題進行了一次綜述，主要關(guān)心 FPSO 的防碰撞設(shè)計及碰撞后果。韓國的 Cho 等[9]在 2017 年發(fā)表了一篇關(guān)于 FPSO 防護鋼管的文章，主要研究內(nèi)容就是防護鋼管受沖擊作用后的動力響應(yīng)問題，其在文中指出這類鋼管的直徑厚度比通常在 20-40 左右。對于浮式平臺上的防護鋼管，其受沖擊作用后關(guān)注的重點除了鋼管的能量吸收、最終變形等，保證變形后的鋼管不影響受保護設(shè)備的正常工作非常的重要。如果產(chǎn)生較大的整體變形，則勢必會對平臺上的設(shè)備造成影響。因此，防護鋼管的變形必須區(qū)分整體變形與局部變形，以保證整體變形部分的大小在許可范圍之內(nèi)。

圖 2 - 1 鋼管材料拉伸實驗實驗前將引伸計通過橡皮筋綁扎在試樣上，根據(jù)試樣的尺寸調(diào)整萬能下兩端夾持部分的高度。調(diào)整完成后夾緊夾頭，抽出引伸計的固定插驗采用位移控制，保持速率為 5mm/min。根據(jù)引伸計和萬能試驗機的，可以得到各組鋼管材料的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對于材料拉伸實驗得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的處理方式有很多種。在試件發(fā)生緊縮以前，可以用以實驗結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸崙?yīng)力-應(yīng)變曲線[53-54]。( 1)ln( 1)t e et eσ σ εε ε = + = + （由于上式僅在試件發(fā)生緊縮以前有效，，通常認(rèn)為是在工程應(yīng)力達到最所以很多人對如何根據(jù)需要繼續(xù)描述真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系提出了自己的型的關(guān)系目前被很多人采用的，但是對于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中的系數(shù)和指各不相同。本文在比較計算后，選擇了 Zhang 等[55]2004 年文章中的(a) 萬能試驗機 (c)拉伸實驗示意
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P75

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本文編號：2600206