自升式钻井平台悬臂梁疲劳强度研究

摘要

悬臂梁是自升式钻井平台进行钻井作业的重要结构，而随着平台老龄化的到来，悬臂梁结构的安全是工程领域所需要考虑的问题。目前在船舶与海洋工程领域，疲劳寿命的估算方法主要是两种。一种是基于S-N曲线和Miner线性累积损伤理论的S-N曲线法，另外一种是基于线弹性力学的断裂力学法。S-N曲线法假设材料是无缺陷的，但实际材料一般都会存在裂纹或者缺陷。所以S-N曲线法一般用于设计结构时的全寿命的估算。而断裂力学法用于实际运用过程中剩余寿命的计算。
　　本文主要研究工作如下：
　　（1）以某船厂建造的X-Y型悬臂梁为研究对象，运用MSC.Patran软件进行悬臂梁的有限元建模。根据实际负荷试验的工况，对悬臂梁有限元模型进行数值模拟，然后对比实际负荷试验的数据，证明有限元数值模拟的可行性；根据悬臂梁的实际工况，选取比较典型的三种工况，进行强度分析并校核。同时分析不同风向对悬臂梁结果受力的影响。为后续的疲劳分析奠定基础。
　　（2）分析了载荷谱的获取方法，和数据处理方法，同时根据陆地钻井平台的载荷谱推测出本文所建平台悬臂梁的载荷谱。并在此基础上，对数据进行处理得到程序载荷谱，在DNV规范中选取了适合悬臂梁的S-N曲线，同时运用板厚修正公式，对S-N曲线进行修正。将得到的载荷谱和S-N曲线加载到软件中，运用软件的全寿命模块估算悬臂梁的寿命。同时比较了不同参数对悬臂梁疲劳寿命的影响。
　　（3）探讨了含有缺陷的悬臂梁疲劳寿命，首先定义了软件所需的疲劳断裂参数，包括断裂模式的确定、裂纹应力强度因子模型的建立、初始裂纹尺寸与临界裂纹尺寸以及材料的一些疲劳参数的确定。最后，运用MSC.Fatigue的Growth模块（裂纹扩展模块），估算含有缺陷的悬臂梁的裂纹扩展寿命，最后考虑了不同裂纹形状比和初始裂纹下的疲劳扩展寿命。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和实用价值

1.2疲劳问题研究历史

1.3船舶与海洋工程疲劳发展分析

1.4船舶与海洋工程领域疲劳强度分析常用方法

1.5课题的研究内容

第2章 疲劳基本理论

2.1疲劳原理

2.2悬臂梁的疲劳类型介绍

2.3疲劳寿命估算方法

2.4 疲劳累积损伤理论

2.5软件介绍

2.6本章小结

第3章 自升式钻井平台悬臂梁结构强度分析

3.1引言

3.2悬臂梁结构初步研究

3.3负荷试验

3.4计算载荷及工况分析

3.5计算结果分析

3.6悬臂梁强度校核

3.7本章小结

第4章 基于S-N曲线的悬臂梁寿命计算

4.1引言

4 .2载荷谱编制方法

4.3悬臂梁典型载荷谱

4.4 S-N曲线

4.5基于S-N曲线的悬臂梁结构疲劳寿命计算

4.6本章小结

第5章 悬臂梁结构裂纹扩展寿命分析

5.1引言

5.2疲劳裂纹扩展分析步骤

5.3断裂力学理论

5.4裂纹的设定及临界裂纹尺寸的确定

5.5裂纹扩展速率以及材料参数

5.6工况与载荷

5.7关键部位疲劳裂纹扩展寿命计算

5.8本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

致谢