新型深海多柱桁架式平臺(tái)及立管結(jié)構(gòu)疲勞性能研究.pdf

1、隨著海上油氣資源開發(fā)由淺海逐漸走向深海區(qū)域，為適應(yīng)深海環(huán)境作業(yè)要求，很多不同于傳統(tǒng)固定式采油平臺(tái)的新型浮式結(jié)構(gòu)物不斷涌現(xiàn)。其中，Spar平臺(tái)以運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、安裝拖航靈活等優(yōu)點(diǎn)，受到了世界各大石油公司的廣泛關(guān)注。由于我國(guó)南海海域的地理環(huán)境和氣候條件與墨西哥灣較為相似，而Spar平臺(tái)在墨西哥灣的成功應(yīng)用，為該類型平臺(tái)應(yīng)用于我國(guó)南海深水油氣資源開發(fā)創(chuàng)造了有益條件，發(fā)展?jié)摿薮蟆?本文作為國(guó)家自然科學(xué)基金專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目“深海平臺(tái)的動(dòng)力特性

2、研究”、上海市科委重大基礎(chǔ)研究課題資助項(xiàng)目“深海單柱式平臺(tái)關(guān)鍵動(dòng)力特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究”以及國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目“深水油氣開發(fā)工程試驗(yàn)技術(shù)”等研究課題的組成部分，旨在研究新型深海多柱桁架式平臺(tái)(Cell-TrussSpar)在復(fù)雜海洋環(huán)境下關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的疲勞性能以及平臺(tái)頂端張緊式立管在渦激振動(dòng)下的疲勞壽命預(yù)報(bào)方法。 本文將理論研究與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，在海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞壽命預(yù)報(bào)方法的理論研究、Spar平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞性能評(píng)估、深海

3、立管渦激振動(dòng)響應(yīng)預(yù)報(bào)以及深海立管渦激振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法等多方面開展了深入研究，取得了積極的進(jìn)展。本文開展的主要研究工作如下： 1.全面回顧和總結(jié)了近年來(lái)深海Spar平臺(tái)的發(fā)展、海洋結(jié)構(gòu)物疲勞壽命研究方法以及深海立管渦激振動(dòng)響應(yīng)和渦激振動(dòng)疲勞壽命研究等國(guó)內(nèi)外研究成果和進(jìn)展。對(duì)本文的研究對(duì)象--上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出的新型深海多柱桁架式平臺(tái)(Cell-TrussSpar)的概念和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。 2.基

4、于疲勞累積損傷理論和譜分析方法，在南海海域海況條件下開展了Cell-TressSpar平臺(tái)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命評(píng)估及可靠性分析研究，同時(shí)開展了不同類型海域環(huán)境對(duì)Spar平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命影響的對(duì)比研究，總結(jié)了該Spar平臺(tái)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞損傷的特點(diǎn)和規(guī)律。 3.通過(guò)對(duì)疲勞線性累積損傷理論充要條件的理論證明和對(duì)規(guī)范中推薦采用的裂紋擴(kuò)展模型的分析評(píng)述，指出了傳統(tǒng)疲勞譜分析方法存在的局限性。針對(duì)該局限性，本文基于譜分析法中的頻域信息

5、，采用小波分析技術(shù)對(duì)疲勞交變應(yīng)力的隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行時(shí)間歷程仿真，并結(jié)合一定的隨機(jī)裂紋擴(kuò)展模型，探索出了一套適用于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞壽命評(píng)估的時(shí).頻混合分析模型，并將該混合分析模型應(yīng)用于Cell-TrussSpar平臺(tái)的疲勞壽命評(píng)估。該時(shí).頻混合分析模型較好地解決了全時(shí)域疲勞分析計(jì)算量巨大與傳統(tǒng)譜分析無(wú)法考慮載荷先后順序影響之間的矛盾。 4.針對(duì)均質(zhì)等截面深海頂端張緊式立管的特點(diǎn)，結(jié)合近年來(lái)兩類渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和重要結(jié)論，從振

6、型函數(shù)、鎖定區(qū)域判定、附加質(zhì)量模型、最大響應(yīng)幅值以及流體阻尼等5個(gè)方面對(duì)以往的計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)，建立了深海頂端張緊式立管在非均勻來(lái)流下渦激多模態(tài)響應(yīng)的簡(jiǎn)化分析模型。并應(yīng)用若干個(gè)渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，簡(jiǎn)化分析模型繞開了流體力的求解，可為深海立管及其它海洋工程撓性結(jié)構(gòu)物的初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 5.針對(duì)變參數(shù)的細(xì)長(zhǎng)立管渦激振動(dòng)問(wèn)題，本文基于deWilde受迫振蕩實(shí)驗(yàn)的流體力信息并采用能量平衡的思想建立了VIV有限元預(yù)報(bào)