爆炸载荷作用下海洋平台防爆墙结构形式研究

摘要

海洋平台作为人们开发利用海洋资源的重要基础设施,在服役期间,常会遭到因油气泄漏导致爆炸而引起的冲击破坏。大量的海洋平台事故统计表明,油气爆炸是导致海洋平台结构失效的重要原因之一,为了控制油气爆炸带来的损害,平台上普遍采用以防爆墙为代表的防爆设施进行风险控制。因此,积极开展油气爆炸载荷作用下海洋平台结构的动态响应及舱壁抗爆结构形式研究,对提高海洋平台抗爆能力具有重要意义。
　　本文在研究空中爆炸冲击波理论的基础上,探讨了不同网格密度与不同求解方法对冲击波数值仿真精度的影响;以中油海洋试采三号平台及该平台燃油舱的围壁为研究对象,进行了油气爆炸载荷作用下海洋平台及其燃油舱结构的动态响应分析;在上述分析基础上,对海洋平台燃油舱的围壁进行波纹板结构设计,并分析油气爆炸载荷作用下不同型号波纹板围壁结构的动态响应,通过与传统平板围壁结构相应的响应进行比较分析,获得抗爆效果相对较好的波纹板舱壁结构形式;此外,还对围壁进行夹层板结构设计,并对不同结构形式夹层板围壁在油气爆炸载荷作用下的动态响应进行分析,通过与传统平板围壁结构计算结果进行比较分析,得到一种抗爆效果相对较好的夹层板舱壁结构形式。
　　本文主要研究工作如下:
　　(1)阐述了爆炸现象及其基本特征,比较了爆炸冲击波与爆轰波的共异,重点研究了爆炸冲击波在空气中的传播理论,为空中爆炸冲击波的数值模拟奠定理论基础;
　　(2)在研究非线性瞬态动力学分析软件MSC.Dytran基本理论的基础上,对爆炸冲击波及其在空气中的传播进行了数值模拟,具体研究了不同网格密度对计算精度的影响,以及有限体积法和近似黎曼算法两种不同欧拉求解器对计算精度的影响,并将不同网格密度和不同求解器下冲击波压力峰值的数值模拟值与经验公式值进行比较,得到了满足精度的最佳网格密度和求解方法;
　　(3)基于爆炸冲击波在空气中传播的数值模拟,以中油海洋试采三号平台及该平台燃油舱的围壁为研究对象,采用多欧拉-拉格朗日耦合方法,对海洋平台舱室结构在内部密闭空间内油气爆炸载荷作用下的变形和应力进行了数值模拟研究,还系统研究了该平台燃油舱围壁的变形、应力、能量吸收和加速度;
　　(4)在(3)研究基础上,以海洋平台燃油舱围壁为研究对象,对其进行波纹板结构设计,波纹板舱壁根据波纹高度的不同分为:波纹板Ⅰ、波纹板Ⅱ和波纹板Ⅲ,并对该三种波纹板舱壁结构在油气爆炸载荷下的变形、应力、能量吸收和加速度进行数值模拟,得到抗爆性能较好的波纹板舱壁结构形式;
　　(5)在(3)研究基础上,以海洋平台燃油舱围壁为研究对象,对其进行夹层板结构设计,夹层板舱壁根据结构形式的不同分为:U型夹层板、V型夹层板和蜂窝型夹层板。通过将不同夹层板舱壁结构下结构的变形、应力、能量吸收以及加速度等响应与传统平板舱壁的相应响应进行分析比较,从而获得抗爆效果较好的夹层板舱壁结构形式。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容和创新点

第2章 空中爆炸冲击波理论

2.1 引言

2.2 爆炸现象及其基本特征

2.3 炸药爆炸的冲击波与爆轰波

2.4 空中爆炸冲击波的传播理论

2.5 本章小结

第3章 空中爆炸载冲击波的数值仿真方法研究

3.1 引言

3.2 MSC.Dytran基本理论

3.3 空中爆炸冲击波的数值模拟

3.4 本章小结

第4章 油气爆炸载荷作用下海洋平台结构动态响应研究

4.1 引言

4.2 有限元模型描述

4.3 计算结果与分析

4.4 本章小结

第5章 油气爆炸载荷作用下海洋平台舱壁抗爆结构形式研究

5.1 引言

5.2 结构抗爆性能评判标准

5.3 单层波纹板抗爆舱壁结构

5.4 夹层板抗爆舱壁结构

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文主要工作及结论

6.2 进一步研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢