导管架海洋平台钢结构在爆炸和火灾作用下的力学性能研究

摘要

海洋平台作为海洋石油资源勘探和开发的基础性设施，是海上生产与生活的基地，在海洋石油资源的开发中扮演着重要角色。众多平台结构形式中，导管架海洋平台以其适应性强、安全可靠、结构简单、造价低的特点，成为近海石油开发中应用最广泛的结构形式。近年来，海洋平台爆炸和火灾事故时有发生，不仅造成人员伤亡和重大的经济损失，而且对近海周边环境和海洋生态造成严重的污染和破坏。因此，结合典型平台形式，开展爆炸和火灾作用下海洋平台结构响应的研究，用以指导海洋平台的设计和建设，不仅与保证海洋油气开发建设的安全性密切相关，而且对了解海洋工程结构重大灾害事故的形成、扩展和控制，都具有重要理论价值和广泛的应用前景。
　　本文在总结国内外相关领域研究现状的基础上，采用试验、有限元模拟和理论分析的方法，以对材料动态力学性能的研究为基础，从单独构件到平台上广泛应用的相贯节点、再到平台整体结构，逐步推进，对其在爆炸荷载作用下的结构动力响应，以及爆炸后发生火灾的高温静态力学性能进行了研究。主要工作及相应结论如下：
　　(1)根据导管架海洋平台钢结构工程资料，选取Q345钢进行了不同温度、不同应变率下的动态力学性能试验。首先进行了常温、不同应变率条件下Q345钢的准静态力学性能试验与冲击试验，发现Q345钢具有明显的应变率硬化效应，应力—应变曲线分为静态区和动态区，后者屈服强度和极限强度均高于前者，但是在不同的分区内该钢材对应变率不敏感。随后进行了不同温度、不同应变率下Q345钢的冲击试验，得到钢材动态力学性能随应变率和温度变化的规律。最终通过对试验结果的分析与归纳总结，在Johnson-Cook模型的基础上，增加了与应变率、应变及温度相关的项对传统模型加以修正，拟合出了适合Q345钢的本构方程。
　　(2)海洋平台结构上相贯节点形式众多，本文选取最简单却不失典型性的T型相贯节点进行了冲击、高温性能试验。通过冲击试验，得到了节点在冲击作用下的动态响应规律。而节点冲击后的耐火极限试验，则表明经历过一定程度冲击的T型相贯节点，仍能够承受一定程度的高温作用，得到了节点在冲击后经受高温的破坏形态、温度分布以及耐火极限温度。利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立模型，采用显式－隐式序列求解方法进行分析，并与试验结果进行对比验证，为下一步采用有限元方法进行参数分析打下基础。
　　(3)在试验与有限元分析的基础上，研究了爆炸荷载作用下，材料应变率效应、主管和支管不同几何参数分别对T型相贯节点动态力学性能的影响，得到了不同条件下节点动力响应规律以及动力放大系数的变化规律。并研究了前期冲击对节点高温力学性能的影响，得到了T型相贯节点极限耐火温度随前期冲击荷载强度变化的规律。
　　(4)采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA，建立了某海洋平台整体结构模型，对整体结构在爆炸和火灾作用下的力学性能进行了分析。利用动力非线性有限元技术，考虑材料的应变率效应，对平台整体结构在爆炸作用下的动力响应、以及爆炸后发生火灾的高温力学性能进行了系统的分析。得到了局部爆炸后，结构不同部分的动力响应以及不同强度爆炸荷载作用下，相同部位动力响应的变化规律；对比了仅发生火灾与爆炸后发生火灾两种情况下的结构高温性能差异，同时，通过对不同强度爆炸荷载作用后结构高温力学性能的分析，得到了前期爆炸对结构高温力学性能的影响规律。
　　(5)鉴于现有软件在进行爆炸和火灾作用下海洋平台钢结构力学性能分析时的局限性，本文基于纤维梁单元思想，利用试验得到的包含应力－应变－应变率－温度的钢材本构模型，建立了考虑温度和应变率的单元运动方程，并推导了动态热非弹性刚度矩阵，以及相关的微元平均应变增量、温度荷载增量和应变率变化引起的荷载增量等表达式，进而编制了用于计算钢结构在爆炸和火灾作用下结构动力响应的非线性有限元程序，并通过算例对其可靠性进行了验证。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 爆炸和火灾作用下钢材力学性能研究现状

1.3 海洋平台钢结构在爆炸和火灾作用下力学性能研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 Q345钢在高温、不同应变率下的动态力学性能试验

2.1 引言

2.2 Q345钢准静态力学性能试验

2.3 Q345钢动态力学性能试验

2.4 试验结果分析

2.5 不同本构模型对工字钢梁爆炸冲击作用下动态响应分析的影响

2.6 本章小结

第三章 T型相贯节点冲击、高温性能试验研究

3.1 引言

3.2 试验目的

3.3 试件设计及制作

3.4 T型相贯节点跌落冲击试验

3.5 T型相贯节点冲击后耐火极限试验

3.6 钢材材性试验

3.7 有限元模型及结果验证

3.8 本章小结

第四章 T型相贯节点冲击、高温性能有限元分析

4.1 引言

4.2 材料应变率效应对T型相贯节点动态力学性能的影响

4.3T型相贯节点冲击性能参数化分析

4.4 冲击对T型相贯节点高温性能的影响

4.5 本章小结

第五章 导管架海洋平台在爆炸和火灾作用下力学性能有限元分析

5.1 引言

5.2 海洋平台结构爆炸与火灾危险源识别

5.3 海洋平台整体结构在爆炸荷载作用下的力学性能分析

5.4 海洋平台结构爆炸后发生火灾的高温性能分析

5.5 本章小结

第六章 导管架海洋平台结构在爆炸和火灾作用下力学性能理论计算模型

6.1 引言

6.2 基本假定

6.3 单元运动方程

6.4 结构整体运动方程

6.5 运动方程的解法

6.6 分析步骤

6.7 算例验证

6.8本章小结

第七章 结论与展望

7.1 论文结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

附录A－显式单元刚度矩阵

附录B－显式平均应变增量

附录C－显式温度荷载增量

附录D－显式应变率荷载增量

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

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