深海自升式海洋平台k型管节点碰撞性能研究(附件)
摘 要摘 要海洋领域的蓬勃发展使得自升式海洋平台得到了广泛的应用，但是碰撞事故却一直威胁着自升式海洋平台的结构安全，一旦出现事故，就会造成难以预计的经济损失，严重的则会引起重大的环境污染。自升式海洋平台的破坏往往是在桩腿结构的管及管节点处产生，随后向周围扩展蔓延，直至整个平台崩塌。而K型管节点是常见的管节点类型，因此本文将针对深海自升式海洋平台K型管节点的碰撞性能进行分析研究。本文开展了K型管节点落锤冲击试验，观察了K型管节点试件的变形损伤情况；在此基础上，分析推导出了K型管节点能量耗散的解析表达式；基于ABAQUS软件对K型管节点的冲击试验进行了仿真分析，将数值仿真的结果和试验结果进行对比，验证了数值仿真的可靠性，与此同时，将数值仿真结果和解析结果进行比较，验证解析方法的准确性。主要的研究内容和结论如下:（1）开展了海洋平台K型管节点落锤冲击试验方案设计，进行了K型管节点落锤冲击试验，得到了碰撞力、塑性变形量等参数，为后续仿真和解析计算的分析验证提供了基础。（2）基于塑性力学理论，结合K型管节点的试验结果，推导得到了K型管节点能量耗散的解析表达。（3）基于K型管节点落锤冲击试验，利用有限元软件ABAQUS进行了数值仿真分析，分析了碰撞过程中的K型管节点的变形机理，并探究了不同冲击高度下的K管结构响应的规律。（4）将数值仿真结果与试验结果进行了对比分析，进一步验证了数值仿真分析技术的可靠性；同时，将解析计算结果和数值仿真结果进行了比较，确定了解析修正方法，验证了解析方法的可靠性。关键词自升式海洋平台；K型管节点；落锤冲击试验；解析方法；数值仿真
目录
第一章 绪论 1
1.1 深海自升式海洋平台的研究背景及意义 1
1.2 深海自升式海洋平台的碰撞研究现状 2
1.3 本文的主要研究内容 5
第二章 塑性力学基本理论和有限元仿真理论基础 6
2.1 引言 6
2.2 塑性力学基本原理 6
2.2.1 塑性力学简介 6
2.2.2 上下限定理和虚功原理 7
2.3 有限元基本理论 8
2.3.1 有限元法的发展 8
2.3.2 非线性有限元分析 9
2.4 ABAQUS软件介 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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第一章 绪论 1
1.1 深海自升式海洋平台的研究背景及意义 1
1.2 深海自升式海洋平台的碰撞研究现状 2
1.3 本文的主要研究内容 5
第二章 塑性力学基本理论和有限元仿真理论基础 6
2.1 引言 6
2.2 塑性力学基本原理 6
2.2.1 塑性力学简介 6
2.2.2 上下限定理和虚功原理 7
2.3 有限元基本理论 8
2.3.1 有限元法的发展 8
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绍 10
2.5 本章小结 11
第三章 K型管节点落锤冲击实验和解析分析 12
3.1 引言 12
3.2 K型管节点落锤冲击实验 12
3.2.1 试验装置 12
3.2.2 试验设计 14
3.2.3 试验结果分析 16
3.3 K型管节点的解析分析法 20
3.3.1 塑性铰的概念 20
3.3.2 弦管的解析分析法 21
3.3.3 斜撑管的解析分析法 31
3.4 本章小结 32
第四章 K型管节点数值仿真分析 33
4.1 引言 33
4.2 数值仿真模型 33
4.2.1 模型尺寸 33
4.2.2 数值模拟结果和试验结果的对比分析 35
4.2.3 冲击参数对K管结构性能的影响 39
4.2.4 数值模拟结果和解析结果的对比分析 40
4.3 本章小结 43
总结与展望 44
致谢 46
参考文献 47
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着人们对石油、天然气的需求越来越多，陆地上的资源已经远远不能满足，人们便开始将目光投向海洋，而各类在海洋搜寻油气的勘探工作和海底油气资源的开发都离不开海洋平台的帮助。近年来，海洋开发事业的快速发展使得海洋平台得到了广泛的应用。一般来说，海洋平台可以分为固定式和移动式，而自升式海洋平台则是属于移动式里的一种，其由于较好的可移动性而具有相当大的优势，目前在役数量最多。与此同时，因为自升式海洋平台可以当作钻井、修井和生产平台，已逐渐成为船舶与海洋工程界研究的热点。截止2007年底，全球钻井装备在手订单为130座，其中自升式钻井平台65座[]。另外，截止2009年，世界海洋钻井设备（包括钻井、油气以及钻井综合平台）共有428座，占总规模的66%。其中，自升式海洋平台中有35座在钻井使用，使用效率为82.39%，在手订单有77座。可见，自升式海洋平台对海洋工程的发展起着举足轻重的作用。世界上第一座自升式海洋平台“天蝎号”诞生于20世纪50年代，并且在墨西哥湾钻探了第一口井。我国的第一座自升式海洋平台是“渤海”1号，由七0八所设计，于 1972年由大连造船厂建成交付使用。世界上最大的作业水深是168m，是由墨西哥湾的Rowan“Bob Palmer”号创造的。国内最大的作业水深91.4m，该自升式海洋平台是大连重工设计建造的中石油DSJ3001型。国外在深水自升式钻井平台设计与建造方面起步比较早。截至2009年3月，总计已建200余座深水桁架腿自升式钻井平台，另有58座在建中[]。目前在建的中深水桁架腿自升式钻井平台主要由Friede&Goldman、GUSTOMSC、KEPPEL、PPL和LeTourneau等公司和船厂设计。这些公司和船厂具有丰富的设计和建造经验，产品经过时间检验后保证了良好的品质。自升式钻井平台主要由平台主体、桩腿、升降系统、钻井装置等组成。其中,桩腿对自升式钻井平台相当重要，它是自升式平台的立柱，除了起支持作用外，还引导着平台的升降，桩腿数一般是在3柱到14柱不等，但大多数情况下，采用三柱式，同时还要承受各种环境外力的作用。桩腿的形式有三角桁架形、箱形和圆柱形等，且桩腿大多采用由弦杆、水平撑杆和斜撑杆组成的桁架结构来减少波浪对其的冲击。目前，桁架式桩腿支撑管型式有K型、X型和倒K型，其中K型的管节点十分普遍。
海洋平台种类众多，大都具有坚固的支撑结构，这些管型结构通过管型节点连接形成整体。这些管节点都承受着较高的载荷，具有较大的应力集中，很容易变形或者失效，从而给平台带来毁灭性的灾害。海洋平台结构的失效破坏会直接造成重大经济损失和人员伤亡，甚至会引起严重的环境污染和社会政治影响。历史上曾有过多次海洋平台事故，例如，1979年“渤海二号”自升式平台发生的事故造成72人死亡。自升式海洋平台由于其作业要求，经常要受到各种复杂和恶劣的海洋环境的考验，长期受到海风、海浪、海流作用以及海上船只对其的撞击等，灾害性事故频频会发生。而碰撞是引起这些灾害性事故的一个主要原因，一般碰撞主要发生于平台桩腿，而桩腿主要为桁架结构，其碰撞后的安全性会影响到整个平台的安全性。并且很多海洋平台事故往往都是从管节点的破坏开始的，随后破坏逐渐向周围扩散，严重时最终会造成整个结构的失效。比如，2002年8月我国南海WEN131平台导管架结构在施工过程中受到大型起重铺管船的撞击，x斜撑有一构件局部受到严重挤压破坏．附近海管、立管也受到严重破坏，造成工期延后4个多月[]，因此研究节点的碰撞性能对工程实际有很大的意义。
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