半潜式平台关键结构全寿期极限强度预报方法研究

文章基于逐步破坏分析法和有限元计算方法,发展了一种计及材料腐蚀、疲劳裂纹等结构损伤的半潜式海洋平台关键结构全寿期极限强度计算方法。以一服役水深为3000 m半潜式平台为研究对象,选取横撑和立柱局部结构作为研究对象,以不同服役年限下裂纹扩展长度和腐蚀厚度作为变化参数,采用ANSYS软件建立其参数化有限元模型,计算了不同服役年限下半潜式海洋平台关键结构极限强度,在此基础上分析了全寿期内关键结构极限强度随服役年限的变化规律。     

疲劳裂纹损伤下海洋平台结构的极限强度研究

基于多尺度建模方法构建了含裂纹损伤海洋平台结构的混合尺度有限元模型,其包含由壳单元描述的细观节点和由梁单元描述的宏观构件.将该多尺度模型用于研究波流耦合载荷作用下关键节点处焊缝裂纹的扩展规律.并将疲劳裂纹引入整体海洋平台的结构模型,在极端水平(水线处)载荷作用下,研究裂纹分布位置影响结构极限强度的退化规律.研究结果表明:水平载荷作用下,关键节点的斜撑在平行于载荷作用方向产生的裂纹相比于其他部位的裂纹,会导致更为显著的结构极限强度退化;处于结构受拉侧的裂纹,使得结构极限强度退化尤其严重;裂纹分布位置的差异会导致不同程度的极限强度退化,但仅关键节点处的裂纹才会显著削弱结构的极限强度.     

含裂纹及腐蚀损伤FPSO结构剩余极限强度评估方法研究

裂纹及腐蚀损伤对于浮式生产储油卸油装置（FPSO）结构来说难以避免,这将削弱结构的极限强度,所以研究含裂纹及腐蚀损伤FPSO结构的剩余极限强度意义重大。目前针对裂纹及腐蚀损伤联合作用下FPSO结构剩余极限强度的研究相对欠缺,本文采用非线性有限元分析方法,研究了不同腐蚀及裂纹损伤组合形式下FPSO结构剩余极限强度的衰减规律。结果表明,腐蚀与裂纹损伤均导致极限强度线性衰减,并且腐蚀损伤对极限强度的影响远大于裂纹损伤。研究结果对FPSO结构的设计、维护与延寿具有一定的参考价值。     

半潜式平台横向开闭极限强度的时变可靠性分析

为了研究疲劳和腐蚀对半潜式平台结构极限强度可靠性的影响,文章改进了Smith方法,使之能够用于计及撑杆整体失稳的半潜式平台对开、对闭的极限强度计算;基于随机过程理论,建立计及疲劳和腐蚀作用的平台结构极限强度随机时变模型;针对某半潜式平台,建立波浪载荷和静水载荷随时间的变化模型,使用并联系统方法计算平台结构的时变可靠性,并与年度瞬时可靠性进行比较.     

老龄导管架式海洋平台极限承载力分析

以埕岛油田某导管架式海洋平台为例,研究了服役中后期老龄海洋平台的极限承载力.首先,考虑服役中后期的老龄平台结构腐蚀损伤等情况,建立不同的有限元模型;进行了波浪力、冰力等荷载的计算;最后,考虑材料非线性和几何非线性,当载荷沿平台的不同方向作用时,计算平台桩顶的最大位移与横向载荷的关系曲线,根据位移与载荷曲线计算平台的极限承载力,利用强度储备系数分析了平台的安全强度储备.     

偏心裂纹缺陷板的应力强度因子和极限拉伸强度分析

疲劳裂纹对船舶结构强度具有不可忽视的削弱作用,在过去的研究中,主要从断裂力学的角度对疲劳裂纹应力场进行分析,而对于静态裂纹板的极限强度的探讨相对较少.本文在有限元计算的基础上对具有偏心裂纹缺陷的矩形板的应力强度因子和极限拉伸强度进行了分析.对于偏心裂纹应力强度因子,在计算方法上有效地简化了文献[5]中提出的大单元有限元计算模型,并且用于分析裂纹偏心度对于应力强度因子的影响.对于偏心裂纹延性板,采用弹塑性有限元进行了大量的组合计算,分析了相对裂纹长度、材料屈强比和裂纹偏心度对板的拉伸极限强度的影响,并给出了方便计算的回归公式.该回归公式包含了多个参数对板的极限拉伸强度的影响,与实验结果吻合较好.     

海洋平台结构系统疲劳可靠性分析方法

本文研究了海洋平台结构系统疲劳可靠性评估方法。文中对平台结构简生管节点疲劳可靠性分析模型进行了简单的评述，在该模型的基础上，建立了用S－N曲线模型与断裂力学模型分别计算平台完好管节点及有初始裂纹管节点疲劳寿命的平告结构系统疲劳可靠性分析模型。作为一个算例，文中运用作者开发的程序系统，对一固定式导管架平台进行了疲劳可靠性计算。     

船体极限强度试验小比尺相似模型研究

基于薄壁梁理论推导了总纵极限强度试验的相似模型设计应该满足的条件,然后选取小相似比尺满足某实验室的加载条件,分别设计出某集装箱船的双层模型和单层模型.通过对三段形式模型的非线性有限元分析,验证实船与模型的中拱、中垂极限强度的相似性.相对而言,总纵极限强度试验更适合选用单层模型.     

腐蚀损伤下复杂构型平台刚性连接器极限强度的时变可靠性分析

为研究腐蚀损伤对于平台连接面极限强度的影响，评估复杂构型平台模块连接面的安全性，该文针对某复杂构型平台刚性连接器的连接面，参考螺栓群受力分析方法，提出了腐蚀损伤下平台连接面弯曲、扭转极限强度的计算方法 ；统计了该平台的腐蚀参数，利用Rosenblueth法计算了连接面极限强度的概率特性，建立计及腐蚀作用的平台连接面极限强度随机时变模型；统计了平台连接面所受的静水与波浪载荷及其概率特性；基于随机过程理论，进行了腐蚀损伤下刚性连接器的时变可靠性计算分析。     

腐蚀裂纹损伤下船舶管路抗冲击时变剩余强度研究

舰艇管路系统对冲击载荷作用非常敏感,遭受冲击载荷后通常会引起管路系统应力或变形过大而破坏,而裂纹和腐蚀作为常见的一种损伤缺陷导致结构承载力下降,降低管路系统的使用寿命.因此针对典型管路系统管路段,建立仿真精度较高的典型管路有限元模型,对典型管路系统管抗冲击性能进行分析;根据仿真分析结果,确定管路结构强度的薄弱节点或分段(称之为关键节点或关键结构)作为裂纹扩展的初始点.基于管路系统腐蚀和裂纹的发展规律和有限元计算方法,建立管路系统时变剩余强度预报模型,发展一种分别计及腐蚀、裂纹2种因素作用下,舰艇管路系统在三向冲击载荷作用下剩余强度的计算方法和实现流程.在此基础上,分别研究裂纹损伤、腐蚀损伤在不同服役年限下冲击载荷对舰艇管路时变剩余强度的影响规律.     

含裂纹损伤箱型梁剩余扭转极限强度研究

针对含裂纹损伤箱型梁的剩余扭转极限强度问题,通过考虑结构特征及裂纹分布的差异性,基于净截面屈服理论提出更为准确地评估裂纹影响的剩余扭转极限强度简化计算公式,能够很好地反映裂纹损伤所导致的极限强度衰减趋势。利用非线性有限元方法,考虑中心裂纹与边缘裂纹2种裂纹形式,考察结构应力分布的变化与规律,验证扭转载荷下裂纹分布与裂纹尺寸对剩余极限强度的影响。数值计算表明,本文提出的公式具有较好的准确度。     

联合弯矩作用下含裂纹船体结构剩余极限强度评估方法研究

裂纹损伤对于船体结构来说难以避免,将削弱结构的极限强度,所以研究含裂纹损伤船体结构的剩余极限强度意义重大.对于含裂纹舱段结构,现有的研究主要针对垂向弯矩作用下的剩余极限强度,对于联合弯矩作用下的研究还很欠缺.本文采用非线性有限元分析方法,研究了垂向弯矩和水平弯矩联合作用下含裂纹舱段的剩余极限强度.提出了计算含裂纹船舯舱段在联合弯矩作用下剩余极限强度的计算公式,通过对含裂纹箱型梁的有限元计算结果进行拟合,得到公式中待定系数的表达式.研究结果表明,本文提出的方法可以快速预测船体结构在联合弯矩作用下的剩余极限强度.     

基于裂纹扩展的海洋平台疲劳可靠性分析

文章基于裂纹疲劳基本理论,针对在役导管架平台出现初始裂纹状态下结构承载力进行分析,考虑结构损伤与腐蚀等因素,建立了典型导管架平台整体结构模型和局部子模型,分析了在该工况下平台整体结构的疲劳强度,并确定了平台结构的疲劳关键部位。采用几何应力外插法计算了热点应力,基于疲劳裂纹扩展的疲劳分析方法,计算了疲劳关键节点的疲劳寿命与疲劳可靠度。该方法能够为海洋平台结构的维护和保养提供一定参考。     

破损船体极限强度非线性有限元分析

本文基于通用有限元系统,结合船体破损机理和初始缺陷处理方法,建立船体极限强度非线性有限元分析的完整框架.利用对水面舰船和双壳油船极限强度模型试验的比较验证,合理解决非线性有限元分析的关键技术,并对完整和破损船体极限强度进行非线性有限元法分析.然后,在模型试验和非线性有限元分析的基础上提出面向设计的适合破损船体和双向弯曲状态的船体极限强度分析的改进解析方法.     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.     

轻质夹芯复合材料结构强度评估方法研究

由于具有高强度、高模量、重量轻、耐腐蚀的优良特点,复合材料在船舶上的应用逐渐成为研究热点.目前可查阅的关于船体复合材料结构强度校核的文献很罕见以及各种规范对船体复合材料结构强度校核尚未给出明确的说明.与各向同性材料的强度评估方法相比,复合材料强度评估有很大的不同.本文基于试验结果,分别采用壳单元、实体-壳单元和实体单元模型对复合材料结构进行数值分析,确定用于轻质夹芯复合材料结构强度评估的合理有限元模型.基于渐进损伤分析理论,采用Tsai-Wu失效准则和突降退化模型,对轻质夹芯复合材料的极限强度进行评估.结果表明:计及结果精确性与计算成本,可用壳单元模型分析复合材料结构的应力-应变分布;渐进损伤分析方法结合材料退化模型不仅有效地对复合材料结构的极限强度进行预测,同时还能判断材料的失效模式.     

A unified fatigue life prediction method for marine structures

Marine structures such as ships and offshore platforms are mostly designed with damage tolerance and this design philosophy requires accurate prediction of fatigue crack propagation process. Now more and more people have realized that only a fatigue life prediction method based on fatigue crack propagation (FCP) theory has the potential to satisfy the accuracy requirement and to explain various fatigue phenomena observed. In the past several years, the authors’ group has made some efforts in developing a unified fatigue life prediction (UFLP) method for marine structures. The key issue for this development is to establish a “correct” crack growth rate relation. In this paper the improvement of the crack growth rate model is dealt with first. A new crack growth rate model based on the concept of partial crack closure is presented. The capability of the model is demonstrated. Secondly, studies on the engineering approaches to determine the parameters in the new crack growth rate model are carried out and validated by comparing with the experimental results on a wide range of alloys. Thirdly, the preliminary studies on some significant problems such as load sequence effect are presented. Finally, further studies for the application of the UFLP method to the fatigue strength assessment of marine structures are pointed out.     

基于腐蚀疲劳裂纹扩展的自升式海洋平台桩腿时变可靠性研究

本文研究了腐蚀与疲劳载荷耦合作用下自升式平台桩腿服的可靠性问题。采用ANSYS对自升式海洋平台桩腿结构进行建模,根据平台服役海域的波浪散布图对桩腿结构的工况进行划分,确定浪溅区桩腿结构的疲劳关键节点及其等效应力;以桩腿材料E690高强钢为对象,进行腐蚀疲劳裂纹扩展实验,获得了不同环境下的疲劳裂纹扩展参数;提出了基于断裂力学的浪溅区桩腿关键节点的时变可靠性模型,与采用现有腐蚀模型的桩腿时变可靠性指标进行了对比,结果表明了本文所提方法能有效地反映平台桩腿服役期间关键节点的时变可靠性变化趋势,为平台在服役期间的安全运行与维护保养提供了理论指导。