文档介绍：江苏科技大学
硕士学位论文
深海立管的疲劳寿命预报方法
姓名:范佰明
申请学位级别:硕士
专业:船舶与海洋结构物设计制造
指导教师:吴立人;嵇春艳
20080101
大摘要
深海立管的疲劳寿命预报方法
大摘要
一、课题研究的意义和目的
海底石油管线是海洋油气资源开发和利用的生命线,其安全性直接影响着
海洋工程的发展和海洋生物的安全。随着深海技术的发展,浮动生产系统
(FPSO),新型的 spar 平台结构将会得到广泛的应用。在上述结构设计中,海洋
立管是连接海底采油设备和浮于海面的浮式结构的输油管道,该系统是重要的
组成部分,直接影响着整个系统的可靠性和安全性。由于深海立管受到外环境
动荷载的周期性作用,其疲劳破坏是主要的失效方式,因此,研究深海立管的
疲劳强度和可靠性分析,为建立基于可靠性理论的海洋立管疲劳强度评估提供
理论依据,具有十分重要的理论价值和实际意义。
二、课题研究的方法
本论文的主要研究包括:
1、采用 Stokes 五阶波理论、计算流体力学、Morison 方程等理论建立深
海立管的动力荷载计算数学模型;根据所研究的载荷形式,支承条件和结构特
点,建立立管的力学模型,进行力学分析;采用谱分析法推导出传递函数,利
用传递函数由海浪谱确定海洋立管中由波流引起的应力谱;
2、由建立的波、流耦合动力荷载的数学模型,分析立管在波、流耦合动力
荷载作用下的动力响应;采用大型专用有限元软件(SESAM 软件)建立深海立
管的有限元模型,用有限元分析法分析深海立管在波、流耦合荷载作用下的动
力响应,进一步获得应力响应幅值;
3、根据应力谱得到交变应力过程的统计特征值(标准差),选定一疲劳载
荷的概率分布模型,确定应力范围的概率密度函数,由 S-N 曲线建立深海立管
疲劳强度的概率模型,确定以 Miner 线性累积损伤理论为基础的疲劳累积损伤
模型,给出深海立管疲劳寿命预报公式。
4、利用概率统计、极限分析等方法,正态分布和 Weibull 分布函数,建立
疲劳失效的可靠性评估方法,给出失效概率和可靠度的计算公式;采用一立管
实例进行可靠性分析,分析各随机变量对可靠度的影响。
大摘要
三、课题研究的结论
1、本文用基于线性波和斯托克斯五阶波两种方法,分别求得了立管上的波
浪力和随机波浪力谱,得到了波浪谱密度函数到波浪波浪力谱的传递函数,为
进一步求得立管的应力谱作了基础。
2、本文主要介绍水下立管在波浪、流等环境载荷作用下的动力分析,求解
了立管在波浪、流等环境载荷作用下的位移响应、速度响应,弯矩、轴向张力
和应力的时间历经并分析了立管在波浪与流作用下各节点位移响应、速度响应,
张力、弯矩和应力的时间历经,较真实的模拟了立管各节点位移、速度,张力、
弯矩和应力的瞬时值,用于工程计算是可行的。
3、本文主要针对线性波浪理论,推导出深海立管所受的应力谱及其疲劳寿
命计算公式,并通过一算例用 SESAM 软件计算出在波浪及波浪和流共同作用下
深海立管不同接点处所受的力、弯矩及疲劳寿命,并利用图形及列表的方式来
比较了结果。计算结果表明,立管可靠性分析中诸多随机变量中,恒载服从正
态分布;构件抗力服从对数正态或正态分布。在海流的作用下,即使速度不大,
深海立管所受的影响也不能忽略。
关键词:深海立管五阶 Stokes 波流耦合应力谱疲劳可靠性失效概率
摘要
摘要
海底石油管线是海洋油气资源开发和利用的生命线,其安全性直接影响着海洋工
程的发展和海洋生物的安全。随着深海技术的发展,浮动生产系统(FPSO),新型的 spar
平台结构将会得到广泛的应用。在上述结构设计中,海洋立管是连接海底采油设备和
浮于海面的浮式结构的输油管道,该系统是重要的组成部分,直接影响着整个系统的
可靠性和安全性。由于深海立管受到外环境动荷载的周期性作用,其疲劳破坏是主要
的失效方式,因此,研究深海立管的疲劳强度和可靠性分析,为建立基于可靠性理论
的海洋立管疲劳强度评估提供理论依据,具有十分重要的理论价值和实际意义。本论
文的主要研究包括:
1、采用计算流体力学、Morison 方程等理论建立深海立管的动力荷载计算数学
模型,在此基础上基于 Stokes 五阶波理论,根据所研究的载荷形式,支承条件和结
构特点,采用谱分析法推导出考虑非线性波浪及流的影响下海洋立管所受的随机波浪
力谱。
2、采用有限元方法考虑随机波浪、流的作用下建立深海立管的振动方程,并给
出了时域的求解方法,此外采用频域的谱分析方法推导出深海立管在随机波浪、流的
作用下位移响应谱、应力谱的计算公式