冰區(qū)海洋平臺疲勞評估及其虛擬安全系統(tǒng)研究.pdf

1、冰激振動引起冰區(qū)海洋平臺構(gòu)件疲勞破壞是造成冰區(qū)平臺失效的重要原因之一，開展海洋平臺在冰載荷作用下的疲勞評估及其可靠性研究，對于保證冰區(qū)平臺結(jié)構(gòu)安全服役有著重要指導(dǎo)意義。本文結(jié)合“海洋平臺結(jié)構(gòu)虛擬安全技術(shù)研究”、“冰激疲勞設(shè)計(jì)簡化方法的研究”等科研課題，對海洋石油平臺冰激疲勞及可靠性理論與分析方法進(jìn)行了深入研究，開發(fā)冰區(qū)海洋平臺虛擬安全系統(tǒng)，取得的成果在冰區(qū)海洋石油開發(fā)中有良好的應(yīng)用前景。現(xiàn)將本論文的主要研究內(nèi)容總結(jié)如下： 1海洋

2、平臺冰激振動數(shù)值模擬 本文對國內(nèi)外的冰激振動模型進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過有限元軟件ANSYS對平臺冰激振動模型進(jìn)行數(shù)值仿真。開發(fā)了與ANSYS集成的計(jì)算程序，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多自由度平臺結(jié)構(gòu)的精細(xì)冰激動力分析。采用不同冰激振動模型對平臺冰激振動進(jìn)行分析，比較計(jì)算結(jié)果，對常用冰激振動模型的適用范圍進(jìn)行定性分析。對不同海冰參數(shù)對平臺冰激振動響應(yīng)的影響進(jìn)行分析，得到冰參數(shù)和結(jié)構(gòu)振動的一些特征，為平臺冰激振動機(jī)理的研究提供了有效的方法和有益的結(jié)論

3、。 提出考慮負(fù)阻尼和卸載冰力的相互作用模型，采用該模型對不同海冰參數(shù)下平臺冰激動力響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該模型能夠反映現(xiàn)場測到的結(jié)構(gòu)冰激穩(wěn)態(tài)振動和冰激隨機(jī)振動。 分析了目前考慮隨機(jī)性的冰激振動模型，通過將冰激振動模型中冰抗壓強(qiáng)度、冰斷裂長度等參數(shù)隨機(jī)化處理，從而將確定性冰激振動模型轉(zhuǎn)化具有隨機(jī)性的冰激概率力學(xué)模型，并對確定性模型和隨機(jī)模型的分析結(jié)果進(jìn)行比較。 2冰區(qū)海洋平臺疲勞壽命預(yù)測技術(shù)和疲勞可靠性評估方法研

4、究 根據(jù)ANSYS計(jì)算出的名義應(yīng)力計(jì)算管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程，進(jìn)行疲勞分析。本文分別給出通過建立管節(jié)點(diǎn)實(shí)體有限元模型和通過計(jì)算管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程的方法和步驟。 提出了一種簡化冰激疲勞校核方法—參數(shù)擬合法，對隨機(jī)冰載荷作用下平臺管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷進(jìn)行校核。該方法用兩個(gè)冪函數(shù)描述海冰參數(shù)和冰激等效疲勞應(yīng)力的關(guān)系，具有較高的擬合精度，推導(dǎo)出基于S-N曲線和Miner準(zhǔn)則的疲勞損傷計(jì)算公式，大大簡化了冰激疲勞

5、壽命的計(jì)算過程。在此基礎(chǔ)上，給出構(gòu)件疲勞可靠性計(jì)算公式。提出平臺整體疲勞失效的簡化判據(jù)和平臺關(guān)鍵失效模式的確定方法，推導(dǎo)出平臺整體失效概率的計(jì)算公式，可供工程參考。 應(yīng)用概率斷裂力學(xué)，提出考慮檢測過程的冰區(qū)平臺疲勞可靠性評估方法。基于海冰參數(shù)和冰激等效疲勞應(yīng)力的擬合函數(shù)，推導(dǎo)出裂紋深度擴(kuò)展的簡化公式；建立海冰載荷作用下計(jì)算平臺構(gòu)件疲勞可靠性的數(shù)學(xué)模型，給出平臺整體疲勞可靠性校核過程。提出估算構(gòu)件漏檢裂紋尺寸概率分布的方法，并給出

6、考慮檢測精度和漏檢概率時(shí)平臺整體可靠性的分析方法。 3冰區(qū)海洋平臺虛擬安全系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用研究 結(jié)合國內(nèi)外在冰區(qū)平臺可靠性研究的成果，并基于本文的研究進(jìn)展，率先將虛擬技術(shù)應(yīng)用于冰區(qū)平臺安全可靠性分析中，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)、有限元、仿真技術(shù)和可視化技術(shù)為支撐，建立起海洋平臺虛擬安全系統(tǒng)的基本框架。該系統(tǒng)包括多個(gè)模塊，具有建立平臺有限元模型、完成冰區(qū)海洋平臺疲勞壽命預(yù)測、疲勞、斷裂可靠性評估以及平臺冰激振動視景仿真等功能，初步實(shí)現(xiàn)了