深海自升式海洋平台结构冲击试验相似准则研究及试验方案设计researchonsimilaritycriterionand
在海洋能源勘探和开采的过程中，海洋平台起着不可替代的作用，尤以自升式平台占据着重要地位，是海洋油气探井、钻井和开采的主要作业基地之一，但是船舶碰撞导致的平台结构损坏一直是威胁海洋平台安全的主要因素。评估结构耐撞性能最可靠的方法是实尺度碰撞试验，然而对于平台的碰撞试验，因其耗资巨大而不易开展。因此，适当开展比例模型试验可以为简化解析算法及数值仿真计算提供验证依据，从而揭示平台结构在碰撞过程中的损伤变形机理，对更好的开展自升式平台碰撞结构设计具有重要意义。本文首先运用量纲分析法推导了船舶-自升式海洋平台碰撞的动态相似率，进行碰撞结构缩尺修正方法研究；并基于有限元软件ABAQUS进行了数值验证，最后在局部模型碰撞的基础上，设计了平台整体碰撞模型试验方案，主要研究工作如下（1）以船舶与自升式海洋平台碰撞为背景，基于相似第二定律，运用量纲分析法推导管节点碰撞中的动态相似准则，结合有限元仿真技术，以平台桩腿典型直管和K管为研究对象，将自升式海洋平台碰撞场景进行简化，建立不同的缩尺比碰撞模型，通过不同缩尺比模型的动态结构响应特性验证相似理论的可行性。（2）通过改变冲击速度来修正缩尺过程中由于应变率敏感性的存在而引起的误差。与传统量纲分析法中的选取长度、质量和时间作为基本量纲不同，本文以冲击速度、冲击质量和动态应力作为基本量纲，求得计及应变率敏感性的各物理量的相似关系，并且推导速度修正系数公式。（3）对整体平台碰撞模型进行简化，分析出最佳平台模型简化方法并初步设计了整体平台碰撞模型和约束工装，简要提出试验方案。关键词自升式平台；量纲分析；缩尺模型；数值仿真；模型试验
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 相似理论的研究现状 2
1.2.2 有限元数值模拟的发展 4
1.2.3 船舶海洋平台局部碰撞试验技术研究现状 4
1.3 研究内容 5
第二章 自升式海洋平台碰撞的相似理论分析与推导 6
2.1 引言 6
2.2 相似理论分析 6
2.2.1 修正方法 6
2.2.2 定义相关物理量 6
2.3具体推导过程 7
2.3.1 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 相似理论的研究现状 2
1.2.2 有限元数值模拟的发展 4
1.2.3 船舶海洋平台局部碰撞试验技术研究现状 4
1.3 研究内容 5
第二章 自升式海洋平台碰撞的相似理论分析与推导 6
2.1 引言 6
2.2 相似理论分析 6
2.2.1 修正方法 6
2.2.2 定义相关物理量 6
2.3具体推导过程 7
2.3.1 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
动态相似准则 7
2.3.2 碰撞物理量相似比 8
2.4 本章小结 10
第三章 自升式海洋平台碰撞相似率的应用及数值验证 11
3.1 引言 11
3.2 有限元模型概况 11
3.3 相似率在直管节点上的应用与验证 12
3.3.1 损伤变形 13
3.3.2 各撞击参数的时历曲线 14
3.4 相似率在K型管节点上的运用与验证 16
3.4.1 损伤变形 16
3.4.2 各撞击参数的时历曲线 18
3.5 误差分析 19
3.6 计及应变率影响的修正方法研究 20
3.7本章小结 21
第四章 深海自升式海洋平台碰撞模型设计 21
4.1 引言 21
4.2 自升式平台简介 21
4.3 整体平台碰撞简化模型 21
4.4 碰撞模型结果对比分析 21
4.5 碰撞模型设计 21
4.5.1 尺寸设计 21
4.5.2 工装设计 21
4.6 单桩腿模型碰撞试验方案 21
4.7 本章小结 21
结论 21
参考文献 21
致谢 21
绪论
1.1 研究背景与意义
海洋平台是勘探海洋能源的主要作业基地，由于自升式平台定位能力强、 作业稳定性好，其在海洋资源开采勘探中的运用越来越广泛，成为众多平台中的主力军[1]。与陆地上的油气勘探设备相比，海洋平台及其配套设备体积更为庞大、成本更为昂贵、建造更为复杂，海洋平台长期在海上工作，面对恶劣海况，灾害性事故时有发生[2]。引起事故的主要原因是风暴和船舶的碰撞，以往的研究侧重于对单根圆管的性能研究，对管节点在冲击载荷作用下的研究较少。由于撞击经常涉及几何非线性，材料非线性及局部变形和整体结构弯曲变形的耦合作用，使得很难有一个简单的力学模型对这一过程进行准确的描述[3]。本文以自升式海洋平台直管和K型管节点结构为研究对象，应用相似理论，对冲击问题进行讨论。
碰撞问题是目前研究自升式平台结构设计领域的重要问题，由于平台多为大尺寸、大结构，开展实船碰撞问题耗资巨大。因此，数值仿真技术成为研究这种问题的主要方法。但是，模型简化和网格密度的划分，也给研究对象造成了各种精度失真，对分析带来了难度[4]。试验研究工作的开展，虽然耗资比较大，但其为比例模型的修正提供了重要参数，所以成为提高数值仿真计算精度和有效性的重要手段。因此，比例模型试验成为现实条件下的首选。一般情况下，如果材料是率相关的，那么材料的性质将受到应变率的影响，过大的相似比，必然过分的放大结果误差，从而加大问题分析难度[4]，所以模型缩尺应控制在合理的范围内。
数值仿真技术的可验证性有一定的难度，为了定量评估实尺结构碰撞特性，本文先讨论局部结构模型试验、局部结构模型仿真，然后结合试验结果，初步提出自升式平台的方案设计[5]。其中，局部结构模型试验与实尺结构存在碰撞的模型相似律问题，并且局部模型的仿真分析结果可以通过试验工作加以验证，不仅包含模型相似率的问题，还包含了网格密度的相似率问题。
为此需要进行比例模型试验，正确地运用相似理论，可以更科学地进行实验，减少试验和计算次数；以各种级别的简单模拟试验揭示复杂科技现象中的现象机理，降低研制成本，缩短研制周期[5]。
相似理论最重要的应用方面是各种模型化实验的布局。目前在我国，模型化试验已经在各个科研领域得到较好的发展和应用，作为一种重要的研究手段，模型化试验可以不受自然条件和外界条件的限制，从而严格控制试验对象的主要参量保持稳定，使得结果准确可靠，便于发现和把握自然状态下无法得到的现象本质和内在的联系[5]。同时，模型试验也可被用于校验由原型试验得出的结论的正确性。
海洋平台结构尺寸很大，如果进行实尺碰撞试验研究，则耗资巨大不易开展，所以以往很少有机构对其进行试验。但是随着数值模拟软件的发展，对于实尺结构碰撞问题，提供了新思路，尽管其可靠性有待研究。为此，按照一定的形似比例，进行比例模型的碰撞试验使得简化解析算法及数值仿真计算成为可能，也能够在一定程度上较好的反应分析结构的碰撞问题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 相似理论的研究现状
自1848年Bertrand基于方程分析建立相似第一定律[1]（相似现象相似指标等于1）以来，人们就开始了相似理论相关的研究。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/170.html
