冰區(qū)海洋平臺疲勞評估及其虛擬安全系統(tǒng)研究.pdf

1、冰激振動引起冰區(qū)海洋平臺構件疲勞破壞是造成冰區(qū)平臺失效的重要原因之一，開展海洋平臺在冰載荷作用下的疲勞評估及其可靠性研究，對于保證冰區(qū)平臺結構安全服役有著重要指導意義。本文結合“海洋平臺結構虛擬安全技術研究”、“冰激疲勞設計簡化方法的研究”等科研課題，對海洋石油平臺冰激疲勞及可靠性理論與分析方法進行了深入研究，開發(fā)冰區(qū)海洋平臺虛擬安全系統(tǒng)，取得的成果在冰區(qū)海洋石油開發(fā)中有良好的應用前景?，F將本論文的主要研究內容總結如下： 1海洋

2、平臺冰激振動數值模擬 本文對國內外的冰激振動模型進行了系統(tǒng)分析，通過有限元軟件ANSYS對平臺冰激振動模型進行數值仿真。開發(fā)了與ANSYS集成的計算程序，可實現復雜多自由度平臺結構的精細冰激動力分析。采用不同冰激振動模型對平臺冰激振動進行分析，比較計算結果，對常用冰激振動模型的適用范圍進行定性分析。對不同海冰參數對平臺冰激振動響應的影響進行分析，得到冰參數和結構振動的一些特征，為平臺冰激振動機理的研究提供了有效的方法和有益的結論

3、。 提出考慮負阻尼和卸載冰力的相互作用模型，采用該模型對不同海冰參數下平臺冰激動力響應進行分析，結果表明，該模型能夠反映現場測到的結構冰激穩(wěn)態(tài)振動和冰激隨機振動。 分析了目前考慮隨機性的冰激振動模型，通過將冰激振動模型中冰抗壓強度、冰斷裂長度等參數隨機化處理，從而將確定性冰激振動模型轉化具有隨機性的冰激概率力學模型，并對確定性模型和隨機模型的分析結果進行比較。 2冰區(qū)海洋平臺疲勞壽命預測技術和疲勞可靠性評估方法研

4、究 根據ANSYS計算出的名義應力計算管節(jié)點的熱點應力時程，進行疲勞分析。本文分別給出通過建立管節(jié)點實體有限元模型和通過計算管節(jié)點應力集中系數計算管節(jié)點的熱點應力時程的方法和步驟。 提出了一種簡化冰激疲勞校核方法—參數擬合法，對隨機冰載荷作用下平臺管節(jié)點的疲勞損傷進行校核。該方法用兩個冪函數描述海冰參數和冰激等效疲勞應力的關系，具有較高的擬合精度，推導出基于S-N曲線和Miner準則的疲勞損傷計算公式，大大簡化了冰激疲勞

5、壽命的計算過程。在此基礎上，給出構件疲勞可靠性計算公式。提出平臺整體疲勞失效的簡化判據和平臺關鍵失效模式的確定方法，推導出平臺整體失效概率的計算公式，可供工程參考。 應用概率斷裂力學，提出考慮檢測過程的冰區(qū)平臺疲勞可靠性評估方法。基于海冰參數和冰激等效疲勞應力的擬合函數，推導出裂紋深度擴展的簡化公式；建立海冰載荷作用下計算平臺構件疲勞可靠性的數學模型，給出平臺整體疲勞可靠性校核過程。提出估算構件漏檢裂紋尺寸概率分布的方法，并給出

6、考慮檢測精度和漏檢概率時平臺整體可靠性的分析方法。 3冰區(qū)海洋平臺虛擬安全系統(tǒng)開發(fā)及應用研究 結合國內外在冰區(qū)平臺可靠性研究的成果，并基于本文的研究進展，率先將虛擬技術應用于冰區(qū)平臺安全可靠性分析中，以數據庫技術、有限元、仿真技術和可視化技術為支撐，建立起海洋平臺虛擬安全系統(tǒng)的基本框架。該系統(tǒng)包括多個模塊，具有建立平臺有限元模型、完成冰區(qū)海洋平臺疲勞壽命預測、疲勞、斷裂可靠性評估以及平臺冰激振動視景仿真等功能，初步實現了