海洋平台多面管节点焊缝疲劳性能的仿真研究

摘要

海洋平台作为海上能源资源勘探开采的重要基础设施，由于其结构是由大量的圆柱管构件焊接而成，管节点焊缝附近必然会存在应力集中现象。在服役期间，海洋平台会长期受复杂海洋环境载荷的作用，管节点最容易出现疲劳损伤，以及裂纹扩展而断裂失效，而造成不可挽回的重大人员伤亡和经济损失。管节点是海洋平台的关键部位，其疲劳性能直接会影响到海洋平台的稳定性和安全性，因此，开展海洋平台管节点的疲劳性能研究意义重大。本文利用有限元技术和数值分析方法对导管架海洋平台管节点的疲劳性能进行了基础性研究。
　　首先，对海洋环境载荷（风、海流和波浪载荷）进行了综合分析，在此基础上，建立了海洋环境载荷的简单数学模型。以导管架海洋平台为研究对象，利用ANSYS对其进行了恶劣工况下的静力学分析和波浪载荷下的谱分析，确定了最危险多面管节的位置，为下一步疲劳特性分析做准备。
　　其次，遵循AWS的焊接规范，构建了DX管节点的焊缝模型。对不同组合载荷下DX多面管节点焊缝附近区域的应力分布情况进行了数值分析。探究了热点位置在不同组合工况下的走向规律，为预防管节点疲劳破坏奠定了基础。
　　最后，依据DX管节点在不同组合工况下的热点位置，在管节点鞍点处预制裂纹。采用数值分析方法，获得了不同组合载荷下多面DX管节点焊缝鞍点处三维疲劳裂纹的应力强度因子的变化规律，为及时制止裂纹扩展提供了理论依据。为了进一步研究结构表面疲劳裂纹扩展过程，依据Paris疲劳裂纹扩展准测，针对T型焊接接头焊趾处表面裂纹，进行了拉伸和弯矩两种载荷下表面疲劳裂纹扩展路径以及预测裂纹剩余寿命的数值分析。
　　本文对导管架海洋平台多面管节点焊缝疲劳性能的仿真研究，为平台管节点安全服役提供了理论分析手段，为后续对平台多面管节点的疲劳试验分析提供了依据。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 疲劳损伤研究发展概括

1．3 国内外对疲劳研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2．海洋环境下海洋平台基础结构有限元分析

2．1 海洋环境载荷理论概述

2．1．1 海风载荷

2．1．2 波浪载荷

2．1．3 海流载荷

2．2 导管架海洋平台模型

2．2．1 导管架海洋平台单元类型的选取

2．2．2 导管架海洋平台的建模

2．3 导管架海洋平台整体结构静力分析

2．4 波浪载荷作用下导管架海洋平台的随机分析

2．5 本章小结

3．多面管节点疲劳性能的数值分析

3．1 热点应力定义

3．2 管节点应力分析方法

3．3 多面DX管节点建模

3．3．1 单元类型的选择

3．3．2 网格划分方法

3．3．3 焊缝的建模

3．3．4 模型的边界条件和加载方式

3．3．5 应力直线插值法

3．3．6 有限元结果的验证

3．4 多面DX管节点疲劳性能数值分析

3．4．1 单一基本载荷

3．4．2 轴向力和平面内弯矩的复合载荷

3．4．3 轴向力和平面外弯矩的复合载荷

3．5 热点应力有限元结果与PIRP2A线性迭加法比较

3．6 本章小结

4．DX管节点三维裂纹应力强度因子的数值研究

4．1 断裂力学基本理论

4．1．1 断裂模式

4．1．2 应力强度因子

4．2 有限元方法计算三维裂纹前缘应力强度因子

4．2．1 位移外推法计算应力强度因子

4．2．2 基于相互作用积分法计算应力强度因子

4．3 基于ANSYS含有裂纹的DX管节点建模

4．4 基于ANSYS应力强度因子的计算步骤

4．5 DX管节点弦管鞍点处表面裂纹的应力强度因子计算

4．6 DX管节点支撑管鞍点处穿透裂纹的应力强度因子计算

4．7 本章小结

5．T型焊接接头表面裂纹扩展的数值模拟

5．1 表面疲劳裂纹扩展的数值模拟理论

5．2 有限元法模拟疲劳裂纹扩展的基本过程

5．3 T型焊接接头焊趾处表面裂纹模型

5．4 T型焊接接头焊趾表面裂纹应力强度因子计算分析

5．5 T型焊接接头焊趾处表面疲劳裂纹的数值模拟

5．6 本章小结

6．结论和展望

参考文献

致谢

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