樁腿耦合緩沖器結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的數(shù)值和理論分析研究.pdf

1、浮托安裝法（Float-over）是近年來逐漸盛行的一種高效的海洋平臺上部結(jié)構(gòu)安裝方法。安裝過程中，駁船和上部結(jié)構(gòu)在波浪、流和涌浪的作用下會產(chǎn)生復(fù)雜的運動響應(yīng)。樁腿耦合緩沖器（Leg mating unit，簡稱LMU）被廣泛應(yīng)用于緩沖上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間的碰撞，已成為非機(jī)械式浮托安裝中最關(guān)鍵的裝置。為打破國外公司對LMU的技術(shù)壟斷，中國海洋石油工程股份有限公司與上海交通大學(xué)組織了國內(nèi)首個大型LMU緩沖裝置的研發(fā)工作，本文的研究來源于該

2、課題。
　　LMU的兩個主要功能是緩沖碰撞載荷和控制平臺上部結(jié)構(gòu)垂向位移，它們都與橡膠堆的載荷-位移曲線直接相關(guān)，因此橡膠堆是LMU最重要的部件。本文針對幾種常見的LMU的結(jié)構(gòu)形式，探討了橡膠堆載荷-位移曲線的設(shè)計要求、非線性性質(zhì)、精度要求和影響因素。
　　目前國內(nèi)外文獻(xiàn)中鮮有對橡膠堆的載荷-位移特性和其影響因素的深入探討，有必要在這方面展開詳細(xì)研究。橡膠緩沖器的研究難點在于橡膠本身的非線性本構(gòu)關(guān)系、不可壓縮的特性和大變形及

3、接觸摩擦等非線性因素。本文介紹了橡膠材料的試驗和本構(gòu)模型，對適用于LMU這樣高度非線性問題的數(shù)值計算方法進(jìn)行了討論，包括隱式和顯式有限元方法、接觸摩擦算法和不可壓縮性的模擬。論文對LMU受到的碰撞載荷和沖擊時間進(jìn)行了分析，證明了LMU緩沖過程是準(zhǔn)靜態(tài)的，不用考慮橡膠粘性和應(yīng)變率的影響。論文隨后對一系列層疊橡膠堆進(jìn)行了有限元計算，掌握了摩擦系數(shù)、橡膠墊層數(shù)和直徑比對橡膠堆載荷-位移特性的影響規(guī)律；證明了在顯式計算中，可使用泊松比ν=0.4

4、99模擬不可壓縮性；揭示了橡膠堆緩沖效果與橡膠堆初始剛度的關(guān)系，并對橡膠墊的設(shè)計提出了合理的建議。論文使用網(wǎng)格映射法，CEL方法和SPH方法對LMU橡膠堆數(shù)值計算中單元扭曲的影響進(jìn)行了討論，證明其不會對論文研究中的橡膠墊數(shù)值分析造成不利影響。
　　在上述定性規(guī)律的基礎(chǔ)上，論文對層疊橡膠墊的載荷-位移關(guān)系展開了理論研究，以進(jìn)一步對橡膠墊的設(shè)計起到深入而直接的指導(dǎo)作用。以往橡膠墊的理論研究中，橡膠基本上是被當(dāng)作線彈性材料處理的，只能得

5、到緩沖裝置的初始剛度，無法預(yù)測其在有限變形下的響應(yīng)。鑒于此，論文基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，使用Mooney-Rivlin非線性本構(gòu)模型對粘結(jié)在剛性板間的圓形橡膠墊和環(huán)形橡膠墊的載荷-位移關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)。其中環(huán)形橡膠墊的推導(dǎo)考慮了三種不同的邊界條件。論文給出了詳細(xì)的推導(dǎo)過程和最終的解析表達(dá)式。論文使用它們對一系列算例進(jìn)行了計算，并與有限元方法計算結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了推導(dǎo)公式擁有很高的精度和廣泛的適用范圍。論文還將新的理論公式與已有的理論公式

6、進(jìn)行了對比分析，并對橡膠墊的力學(xué)特性進(jìn)行了討論，從理論上對前面數(shù)值研究得到的部分結(jié)論進(jìn)行了驗證。
　　LMU內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在非常復(fù)雜的接觸、摩擦作用，涉及到多種非線性因素，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析也是研究的重點和難點。目前非線性有限元法是LMU結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的主要方法。但對如此復(fù)雜的問題，數(shù)值分析中存在多鐘可能的誤差來源，研究人員往往無法確定有限元計算結(jié)果與實際情況差異有多大。本文介紹了國內(nèi)首次LMU的縮比模型試驗，將試驗測量結(jié)果與隱式非線性求解

7、和顯式準(zhǔn)靜態(tài)求解計算結(jié)果進(jìn)行比較，證明了這兩種方法均能真實反應(yīng)LMU模型在試驗過程中復(fù)雜的相互作用、結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分布和剛度特性，可用于實尺寸LMU的結(jié)構(gòu)分析、強(qiáng)度校核和載荷-位移關(guān)系的數(shù)值計算。
　　本文提出了一種適合LMU結(jié)構(gòu)初步分析的簡化有限元方法，討論了這種方法的簡化力學(xué)模型及載荷邊界條件。使用該方法和顯式準(zhǔn)靜態(tài)方法對國內(nèi)首個自主設(shè)計的LMU進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。通過兩種方法結(jié)果的比較證明了簡化方法在LMU初步結(jié)構(gòu)分析中的適用性，

8、并對原設(shè)計中LMU結(jié)構(gòu)和橡膠堆尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。最后，對優(yōu)化后的LMU進(jìn)行了強(qiáng)度校核，并從載荷-位移曲線和能量吸收等方面對LMU的進(jìn)行了性能評估，證明了國內(nèi)自主研發(fā)的LMU結(jié)構(gòu)能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計要求，安全可靠、性能優(yōu)異。
　　本論文的創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：
　?。?）揭示了橡膠堆層數(shù)、直徑比、摩擦等不同設(shè)計因素對其載荷-位移特性的影響規(guī)律；
　?。?）基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，使用Mooney-Rivlin型非線性本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)了全新的圓