超大型海上浮式结构物总体强度和关键结构极限强度研究

摘要

超大型海上浮式结构物（VLFS）是由若干个与半潜式平台结构相似的单模块通过连接器连接而成的一种新型海上结构物。它可用于海洋油气开发、后勤保障和岛礁渔民生活等，是目前海洋工程界的研究热点之一。近年来，国内对于超大型海上浮式结构物的研究越来越重视。本文以超大型海上浮式结构物（超大浮体）为研究对象，进行单模块总体强度直接计算方法研究；对关键结构（撑杆和连接器基座）进行极限强度分析，对连接器基座进行静强度分析，主要研究内容和结论如下：
　　（1）超大浮体单模块波浪载荷长期预报及典型波浪载荷下结构总体强度分析。基于三维势流理论，采用SESAM有限元软件，对波浪载荷进行长期预报，确定超大浮体在各典型工况下的设计波参数，由设计波对平台进行波浪载荷传递分析，从而得到超大浮体典型波浪载荷下应力分布和变形情况。结果表明，超大浮体单模块结构总体应力分布均匀；但存在三处高应力区域，即立柱与上箱体连接处、立柱与下浮体连接处、撑杆喇叭口位置，其中撑杆结构强度最为薄弱。
　　（2）对超大浮体撑杆结构进行极限强度有限元分析，计算两端受压、受拉、受剪切和受弯矩作用下的极限承载力，分析其失效模式，并讨论边界约束，初始缺陷、海水腐蚀等因素对撑杆结构极限承载力的影响。结果表明，撑杆结构受压失效模式表现为屈曲失效、塑性变形；受拉、受剪、受弯失效模式表现为屈服、塑性流动。边界条件、初始缺陷、腐蚀对撑杆结构的极限承载力有一定的影响，应该得到重视。
　　（3）选取两种尺度的超大浮体连接器基座模型，进行不同工况下的静强度有限元分析。结果表明，两种模型连接器基座整体Von mises应力都不大，但存在两处高应力区域，一基座与连接器连接处，二立柱与上箱体连接处。两种模型在基座与连接器连接处应力不变，而模型二在立柱与上箱体连接处应力相比模型一更大。X方向的载荷对基座与上箱体连接部位影响较大；Z方向的载荷对立柱与上箱体连接处强度要求较大；X、Y和Z方向外力同时作用到基座上时，结构应力最大。
　　（4）基于非线性有限元准静态法，对超大浮体上箱体两种模型进行连接器基座极限强度分析，得到不同方向极限承载力，分析结构最先发生破坏的位置。结果表明，两种模型连接器基座不同方向的极限承载能力相差不大，且远小于预报值，连接器基座具有较大的结构强度储备。模型二几何尺寸较大，结构柔性更大，变形更大。

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第1章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 课题国内外研究现状

1.3 本文的研究工作与创新点

第2章 超大浮体直接计算方法理论基础和极限强度有限元分析方法

2.1 引言

2.2 随机波浪理论

2.3 波浪载荷计算

2.4 设计波法

2.5 有限元分析中的非线性问题

2.6 非线性有限元分析方法

2.7 极限强度数值算例

2.8 本章小结

第3章 超大浮体总体强度直接计算方法研究

3.1 引言

3.2 基于SESAM软件的大浮总体强度分析流程

3.3 超大浮体结构简介

3.4 典型波浪工况的选取

3.5 典型波浪工况下的波浪载荷预报

3.6 典型波浪工况下超大浮体结构总体强度分析

3.7 本章小结

第4章 撑杆结构极限强度及影响分析

4.1 引言

4.2 结构参数

4.3 有限元模型

4.4 设置边界约束

4.5 不同受力状态下撑杆极限承载力有限元分析

4.6 考虑几何初始缺陷对极限承载力的影响

4.7 海水腐蚀对极限承载力的影响

4.8 本章小结

第5章 连接器基座静强度分析

5.1 引言

5.2 连接器基座概况

5.3 连接器基座有限元模型

5.4 边界条件

5.5 载荷和工况

5.6 连接器基座静强度有限元分析结果

5.7 本章小结

第6章 连接器基座极限强度分析

6.1 引言

6.2 连接器基座极限强度分析流程

6.3 材料特性

6.4 有限元模型和边界条件

6.5 载荷加载曲线

6.6 连接器基座极限承载力有限元分析

6.7 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢