合成纖維系纜非線性動(dòng)力特性及繃緊式系泊系統(tǒng)響應(yīng)研究.pdf

1、新型深水繃緊式系泊系統(tǒng)以合成纖維材料系纜作為主體系纜,在復(fù)雜海洋環(huán)境條件下,系纜的時(shí)間相關(guān)特性(蠕變-回復(fù))、特殊的循環(huán)張力-伸長(zhǎng)關(guān)系、動(dòng)剛度特性以及疲勞破壞特性等非線性力學(xué)特性,與系泊系統(tǒng)的性能響應(yīng)及安全性直接相關(guān),深入認(rèn)識(shí)和把握這些特性對(duì)于繃緊式系泊系統(tǒng)在深海工程的應(yīng)用具有十分重要而緊迫的意義。本文基于對(duì)繃緊式系泊系統(tǒng)關(guān)鍵特性的認(rèn)識(shí),通過(guò)機(jī)理探究、理論發(fā)展和模型實(shí)驗(yàn)研究,針對(duì)合成纖維系纜的循環(huán)動(dòng)力特性、蠕變-回復(fù)特性以及繃緊式系泊系

2、統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)和疲勞壽命這三項(xiàng)內(nèi)容展開(kāi)了深入的研究,主要研究工作及創(chuàng)新成果包括:
　　首先,為了研究合成纖維纜繩的循環(huán)動(dòng)力特性,設(shè)計(jì)并制造了循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),這是國(guó)內(nèi)首臺(tái)能針對(duì)合成纖維纜繩進(jìn)行循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。值得一提的是,在國(guó)際范圍內(nèi),本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還有以下三大亮點(diǎn):(1)設(shè)計(jì)采用光軸與拉線位移傳感器組合的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)纜繩標(biāo)記段的測(cè)量,纜繩的剛性鐵夾與傳感器及拉線端頭底座之間用強(qiáng)磁連接,實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的保護(hù);(2)采用雙水箱結(jié)合

3、的水循環(huán)系統(tǒng),真實(shí)地模擬了纜繩浸泡于水中的工程實(shí)際狀態(tài);(3)采用機(jī)械轉(zhuǎn)輪與伺服電機(jī)結(jié)合的室內(nèi)臥式實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng),具有便于安裝運(yùn)輸、造價(jià)低和耗能小等優(yōu)點(diǎn);
　　第二,針對(duì)合成纖維系纜在循環(huán)載荷作用下的力學(xué)特性,包括循環(huán)張力-伸長(zhǎng)關(guān)系及其滯回特性、動(dòng)剛度及殘余應(yīng)變隨加載周次的演變等開(kāi)展了模型實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)平均張力、應(yīng)變幅值等影響因素進(jìn)行了深入的分析和探討?；诹烤V分析法推導(dǎo)了動(dòng)剛度相似準(zhǔn)則,并結(jié)合不同直徑纜繩的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了考察

4、。將動(dòng)剛度實(shí)測(cè)結(jié)果與國(guó)際常用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了對(duì)比和分析。基于對(duì)合成纖維系纜循環(huán)動(dòng)力特性的深入認(rèn)識(shí),提出了考慮循環(huán)載荷周次的動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式,該經(jīng)驗(yàn)公式具有通用性,是傳統(tǒng)動(dòng)剛度經(jīng)驗(yàn)公式的繼承和發(fā)展,具有重要的工程參考價(jià)值;
　　第三,建立了能全面反映Aramid和Polyester等合成纖維系纜的蠕變-回復(fù)特性的本構(gòu)模型。提出了確定模型參數(shù)的詳細(xì)方法,可以適用于纖維、紗線、子纜及全比尺系纜等各種比尺的系纜組分。為了考察模型的有效性和可靠

5、性,以Chailleux和Davies文獻(xiàn)中的Aramid和Polyester紗線為例進(jìn)行計(jì)算分析,并將計(jì)算結(jié)果與其數(shù)值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,基于本模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得更好。本模型一方面避免了Chailleux和Davies模型中因參數(shù) pD而與物理規(guī)律不符的現(xiàn)象,另一方面也實(shí)現(xiàn)了對(duì)Flory等所述纜繩變形特性的定量描述;
　　第四,結(jié)合Schapery理論和Owen粘塑性理論,建立了能定量描述合成纖維系纜循環(huán)

6、動(dòng)力特性的新型本構(gòu)模型,提出了確定模型參數(shù)的詳細(xì)方法。為了考察本模型的有效性和可靠性,以Polyester和Aramid纜繩的實(shí)驗(yàn)工況為例進(jìn)行了計(jì)算分析。將動(dòng)剛度計(jì)算結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,三者較為吻合;將滯回圈計(jì)算結(jié)果與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,基于本模型能模擬出與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相符的物理現(xiàn)象。本模型從纜繩變形機(jī)理和載荷歷史角度出發(fā),是Fran?ois和Davies所描述的真正的“時(shí)域”本構(gòu)模型,一方面填補(bǔ)了

7、反映合成纖維系纜時(shí)間相關(guān)特性本構(gòu)關(guān)系的空白,另一方面也為特定海況下系泊系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的深入分析提供了有力工具;
　　第五,基于時(shí)域動(dòng)力分析理論、雨流計(jì)數(shù)法以及 Palmgren-Miner線性累積損傷理論,針對(duì)FPSO及其 Polyester繃緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了全面的動(dòng)力響應(yīng)及疲勞分析,詳細(xì)考察了預(yù)張力、動(dòng)剛度以及 T-N曲線這三種影響因素對(duì)其疲勞壽命的影響。對(duì)單纜失效前后進(jìn)行的系泊系統(tǒng)疲勞分析表明,單纜失效導(dǎo)致系泊形式發(fā)生改變,顯