如今超深水鉆井平臺(tái)作為海洋油氣資源開(kāi)采的重要基礎(chǔ)設(shè)施,長(zhǎng)期生存于惡劣的海洋環(huán)境中,除去工作載荷和環(huán)境載荷外,鉆井平臺(tái)還會(huì)發(fā)生因油氣泄漏引起的爆炸等偶然性事故。如果發(fā)生的偶然性事故使得平臺(tái)上一些重要結(jié)構(gòu)損壞,這不僅會(huì)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境污染、設(shè)備損壞甚至危及工作人員的生命安全。因此,研究和評(píng)估鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)在偶然爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)性能有重要的實(shí)際意義,它對(duì)平臺(tái)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、海工優(yōu)化安全設(shè)計(jì)以及持續(xù)健康發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)爆炸事故下的分析基本理論包括規(guī)范分析、非線性動(dòng)態(tài)有限元法分析和基于單自由度體系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析理論的整理匯總及吸收,建立了適用于本文鉆井平臺(tái)的數(shù)值模型,對(duì)爆炸事故下的鉆井平臺(tái)上船體結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了爆炸載荷特性、結(jié)構(gòu)損傷變形及塑性變形吸能等結(jié)構(gòu)抗爆性能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般規(guī)律分析研究和基于單自由度模擬的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析研究,并以相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果作為參照,針對(duì)爆炸載荷下的簡(jiǎn)化分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。本文為預(yù)估爆炸事故下超深水鉆井平臺(tái)上船體的結(jié)構(gòu)抗爆性能和改善結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。本文具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)對(duì)目前國(guó)外相關(guān)規(guī)范要求、爆炸事故下的結(jié)構(gòu)損傷分析主要研究現(xiàn)狀和研究基本理論進(jìn)行了匯總整理。結(jié)合目標(biāo)平臺(tái)作業(yè)海域情況及其結(jié)構(gòu)形式,確定適用于目標(biāo)平臺(tái)的爆炸事故場(chǎng)景,爆炸載荷形式,載荷大小及其計(jì)算工況,選取鉆井區(qū)域的月池結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)研究部位。(2)爆炸沖擊波流場(chǎng)數(shù)值模擬及其網(wǎng)格尺寸效應(yīng)研究。采用數(shù)值分析軟件模擬爆炸后的沖擊波流場(chǎng)特征及其傳播規(guī)律,從網(wǎng)格尺寸效應(yīng)方面對(duì)超壓峰值的模擬結(jié)果與理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出適用于目標(biāo)平臺(tái)爆炸事故場(chǎng)景下的網(wǎng)格尺寸。并基于規(guī)范要求確定了爆炸場(chǎng)景的相關(guān)參數(shù),完成了超深水鉆井平臺(tái)上船體結(jié)構(gòu)的有限元建模等工作。(3)應(yīng)用非線性有限元方法,對(duì)鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)在爆炸載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)性能進(jìn)行了研究分析。模擬了上船體結(jié)構(gòu)在不同載荷大小及不同爆源位置下的爆炸場(chǎng)景,對(duì)比分析結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)損傷及能量變化。研究發(fā)現(xiàn):整體上船體結(jié)構(gòu)抗爆性能優(yōu)越,能量吸收及傳遞均衡。在43.3m高度位置爆炸場(chǎng)景下,月池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受沖擊作用最大,迎爆面艙壁呈現(xiàn)大量凹陷變形,中間甲板及沿X方向月池內(nèi)壁相交處損傷變形最為嚴(yán)重。(4)鉆井平臺(tái)爆炸載荷下的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析應(yīng)用研究。整理匯總爆炸場(chǎng)景下不同的結(jié)構(gòu)、載荷及抗力的簡(jiǎn)化分析應(yīng)用方法。采用等效單自由度系統(tǒng)的簡(jiǎn)化分析方法對(duì)鉆井平臺(tái)月池結(jié)構(gòu)在爆炸事故模擬中較為危險(xiǎn)的兩處內(nèi)壁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷變形求解分析并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn):簡(jiǎn)化分析方法與數(shù)值模擬吻合度較好,其誤差在15%以內(nèi),符合工程實(shí)踐要求,可用于快速預(yù)估結(jié)構(gòu)的抗爆承載能力及受爆炸載荷作用下的損傷變形模式,但對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適用性還需作更深入的研究。本文的研究工作可為進(jìn)一步開(kāi)展爆炸事故下鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)抗爆性能研究打下基礎(chǔ),并可為海洋結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)防爆設(shè)計(jì)研究提供一些有價(jià)值的參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TE52
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 爆炸事故下結(jié)構(gòu)性能研究進(jìn)展
        1.2.1 海洋平臺(tái)爆炸事故回顧
        1.2.2 爆炸試驗(yàn)研究進(jìn)展
        1.2.3 爆炸載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)理論研究進(jìn)展
        1.2.4 爆炸載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展
    1.3 油氣爆炸載荷特點(diǎn)及分類
        1.3.1 油氣爆炸載荷特點(diǎn)
        1.3.2 爆炸載荷分類
    1.4 爆炸載荷下的鋼材料特性
    1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容
    1.6 本文創(chuàng)新點(diǎn)
第2章 爆炸事故分析基本理論
    2.1 空中爆炸沖擊波理論
        2.1.1 爆炸沖擊波特性
        2.1.2 空中爆炸沖擊波的傳播理論
        2.1.3 空中爆炸沖擊波經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式
    2.2 爆炸動(dòng)態(tài)有限元分析方法基本理論
        2.2.1 概述
        2.2.2 MSC.Dytran 的分析及求解方法
    2.3 爆炸簡(jiǎn)化分析基本理論
        2.3.1 爆炸簡(jiǎn)化問(wèn)題概述
        2.3.2 壓力時(shí)程曲線簡(jiǎn)化方法
        2.3.3 單自由度系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)
        2.3.4 結(jié)構(gòu)等效分析方法
    2.4 本章小結(jié)
第3章 空爆模擬及爆炸載荷下典型工況分析
    3.1 材料模型參數(shù)選擇
        3.1.1 材料本構(gòu)模型及應(yīng)變率效應(yīng)分析
        3.1.2 材料失效應(yīng)變值確定
    3.2 空爆沖擊波數(shù)值模擬
        3.2.1 材料狀態(tài)方程
        3.2.2 有限元模型
        3.2.3 空中爆炸理論壓力峰值
        3.2.4 超壓峰值云圖及時(shí)間歷程曲線
        3.2.5 爆源當(dāng)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響分析
        3.2.6 歐拉網(wǎng)格尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響分析
    3.3 超深水鉆井平臺(tái)上船體計(jì)算模型及工況制定
        3.3.1 超深水鉆井平臺(tái)上船體有限元建模分析
        3.3.2 超深水鉆井平臺(tái)月池爆炸場(chǎng)景及計(jì)算工況制定
    3.4 超深水鉆井平臺(tái)上船體爆炸典型工況分析
        3.4.1 爆炸載荷下月池結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)特性分析
        3.4.2 爆炸載荷下上船體結(jié)構(gòu)能量變化分析
        3.4.3 爆炸載荷下上船體結(jié)構(gòu)損傷情況分析
        3.4.4 爆炸載荷下上船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析
    3.5 本章小結(jié)
第4章 爆炸載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比分析
    4.1 不同位置爆炸載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比分析
        4.1.1 不同位置爆炸載荷下時(shí)域特性分析
        4.1.2 不同位置爆炸載荷下能量變化分析
        4.1.3 上船體結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比分析
    4.2 不同當(dāng)量爆炸載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比分析
        4.2.1 不同當(dāng)量爆炸載荷下時(shí)域特性分析
        4.2.2 不同當(dāng)量爆炸載荷下能量變化分析
        4.2.3 上船體結(jié)構(gòu)損傷對(duì)比分析
    4.3 本章小結(jié)
第5章 爆炸載荷下月池結(jié)構(gòu)響應(yīng)簡(jiǎn)化分析
    5.1 簡(jiǎn)化分析基本概述
    5.2 簡(jiǎn)化分析基礎(chǔ)理論
        5.2.1 等效分析方法
        5.2.2 材料阻力特性
        5.2.3 結(jié)構(gòu)塑性極限
    5.3 爆炸場(chǎng)景定義
        5.3.1 月池內(nèi)壁爆炸板格位置確定
        5.3.2 數(shù)值模擬設(shè)置
    5.4 簡(jiǎn)化分析結(jié)果
        5.4.1 沿X方向月池內(nèi)壁板格
        5.4.2 沿Y方向月池內(nèi)壁板格
    5.5 本章小結(jié)
總結(jié)與展望
    全文總結(jié)
    研究展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

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