自升式海洋平台碰撞模型试验技术研究与应用

摘要

自升式海洋平台作为海洋能源勘探开发的主要组成部分，是海洋油气探井、钻井、开采的主要作业基地，然而船舶碰撞致使平台结构损伤破坏一直是威胁海洋平台安全的主要因素之一。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耐撞结构设计具有重要意义。
　　本文首先开展了典型船用钢材的静动态材料力学性能试验，分析确定了有限元仿真分析中的材料非线性输入参数；然后运用量纲分析法推导船舶-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；在此基础上，编制试验大纲，实施管及管节点的落锤冲击试验，并基于有限元软件 ABAQUS开展试验仿真分析，完善碰撞问题的模型化技术；最后设计了平台整体碰撞模型试验方案。本文的主要研究工作及结论如下：
　　（1）开展了船用低碳钢材料的准静态和高速拉伸试验，基于试验结果进行了材料非线性仿真输入研究，考虑了材料硬化、不同网格失效应变以及应变率敏感性，得到可用于软件输入的材料力学性能参数；开展了加筋板结构的落锤冲击试验，分析冲击载荷作用下结构的动态响应过程，与仿真计算结果比较，验证仿真分析技术的准确性。
　　（2）基于量纲分析法推导了船舶-自升式海洋平台碰撞动态相似率，结合有限元仿真技术建立不同缩尺比下的简化平台管节点模型，计算并验证了相似准则的正确性；考虑了材料应变率敏感性对碰撞问题结构缩尺的影响，推导得到了通过改变冲击质量来修正缩尺误差的方法，并以弦管碰撞模型的缩尺实例验证了该修正方法的可靠性。
　　（3）设计了自升式平台管及管节点的落锤冲击试验方案并开展了相关试验，对试验中得到的碰撞力、冲击过程、损伤变形情况进行了分析讨论，给出了结构形式、冲击高度对结构动态响应的影响规律。
　　（4）基于管及管节点的落锤冲击试验开展了相关仿真分析，将计算结果与实验比较，完善确认了数值仿真分析技术；基于数值计算结果，分析了碰撞典型时刻结构的损伤变形机理，探讨了冲击速度和冲击质量对管结构碰撞响应的影响规律。
　　（5）对整体平台碰撞试验模型的简化进行研究，确定了以单桩腿模型来代替整体平台模型的简化方法，初步设计了平台整体试验模型及其约束工装，对试验方案进行了仿真计算，为后续试验的准备和开展奠定了基础。

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主要符号说明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状和方法

1.3 研究内容、方法和创新点

第二章 材料力学性能试验与仿真研究

2.1 引言

2.2 基于材料力学性能试验的仿真材料输入研究

2.3 船体板架结构落锤冲击试验

2.4板架落锤冲击试验仿真分析

2.5 本章小结

第三章 船舶-自升式海洋平台碰撞的相似理论分析

3.1 引言

3.2 船舶-自升式海洋平台碰撞的相似理论分析

3.3 船舶-自升式海洋平台碰撞相似率的数值验证

3.4 计及应变率影响的修正方法研究

3.5 本章小结

第四章 自升式平台管及管节点碰撞冲击试验

4.1 引言

4.2试件及工装设计

4.3 测量对象及方案

4.4 模型试验结果分析

4.5 本章小结

第五章 自升式海洋平台管及管节点冲击试验仿真分析

5.1 引言

5.2 有限元模型

5.3 数值模拟结果与试验的对比分析

5.4 数值模拟冲击的过程分析

5.5 冲击参数对结构碰撞性能的影响

5.6 本章小结

第六章 船舶-自升式海洋平台整体碰撞模型试验设计

6.1 引言

6.2 整体平台碰撞模型的简化方法

6.3 试验模型初步设计

6.4 测量对象及方案

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢