合成纖維系纜的復(fù)雜力學(xué)性能及其對繃緊式系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響.pdf

1、海洋浮式結(jié)構(gòu)物的定位技術(shù)是海洋資源開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著海洋油氣資源開發(fā)不斷向深水和超深水海域挺進(jìn)，繃緊式系泊系統(tǒng)成為備受青睞的定位方式。然而合成纖維纜繩具有復(fù)雜的力學(xué)性能，有別于鋼鏈和鋼纜，因此針對合成纖維纜繩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和理論模型開發(fā)具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。此外，由于系纜的差異將導(dǎo)致系泊系統(tǒng)的響應(yīng)發(fā)生變化，因此在深入把握合成纖維纜繩力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，探究系纜力學(xué)性能演變對繃緊式系泊系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響也備受海洋工程界的關(guān)注。為了保

2、障系泊系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，本文圍繞合成纖維系纜的復(fù)雜力學(xué)性能和其對系泊系統(tǒng)響應(yīng)的影響這兩個重要專題開展了研究。
　　首先，設(shè)計(jì)研發(fā)了合成纖維纜繩實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并提出了合成纖維纜繩的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)流程，特別是對纜繩接頭處理技術(shù)（環(huán)眼插編法）進(jìn)行了詳細(xì)說明。以此為基礎(chǔ)，為了深入地把握合成纖維纜繩的力學(xué)特性，分別研究了損傷纖維纜繩的動剛度演變，高強(qiáng)聚乙烯(HMPE)纜繩的蠕變和蠕變-破斷性能，高強(qiáng)聚乙烯纜繩疲勞性能以及纜繩的磨合(Bed

3、ding-in)標(biāo)準(zhǔn)流程。(1)通過研究損傷合成纖維系纜的動剛度演變，發(fā)現(xiàn)纜繩的損傷度、平均張力、應(yīng)變幅值和循環(huán)載荷周次都對纜繩的動剛度有影響。因此，基于量綱分析的方法，提出了綜合考慮這四種影響因素的動剛度經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)此動剛度經(jīng)驗(yàn)公式所得的計(jì)算值與對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值吻合度很好，并可以利用小尺寸受損纜繩動剛度推測較大尺寸受損纜繩的動剛度。(2)通過高強(qiáng)聚乙烯子纜蠕變和蠕變-破斷的實(shí)驗(yàn)研究可知，高強(qiáng)聚乙烯試樣的蠕變-破斷曲線存在三個階段，并提出

4、了可以計(jì)算高強(qiáng)聚乙烯纜繩第二階段蠕變率的經(jīng)驗(yàn)公式，以用于纜繩蠕變量的估算。此外，還提出了一經(jīng)驗(yàn)公式用于計(jì)算高強(qiáng)聚乙烯纜繩在定常載荷下的蠕變壽命。(3)對高強(qiáng)聚乙烯纜繩開展了系統(tǒng)的疲勞實(shí)驗(yàn)研究，考察了平均張力和張力幅值對疲勞壽命的影響，給出了纜繩整個壽命周期下的張力-時間、應(yīng)變-時間、張力-應(yīng)變和動剛度演變曲線，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)聚乙烯纜繩疲勞破壞的平均應(yīng)變約為7％，并對獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，首次提出了提出了考慮平均張力和張力幅值影響的疲勞壽命

5、計(jì)算公式。(4)通過系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)研究，提出了采用合成纖維纜繩張力-應(yīng)變曲線的斜率作為纜繩磨合程度的量化指標(biāo)，并提出了前期加載為循環(huán)載荷時，合成纖維纜繩磨合程度的計(jì)算公式，統(tǒng)一了所有纖維纜繩實(shí)驗(yàn)規(guī)范對纜繩磨合的認(rèn)識。根據(jù)合成纖維纜繩磨合所施加的力載荷范圍和載荷周次不宜過大、時間不宜過長等原則，建議了合成纖維纜繩的磨合流程。該研究有助于準(zhǔn)確定義纜繩的載荷歷史，同時有助于準(zhǔn)確獲得纜繩初期加載對力學(xué)特性的影響。
　　其次，為了刻畫合成纖維纜

6、繩蠕變-破斷行為，從熱力學(xué)框架出發(fā)，建立了粘彈性和損傷耦合的本構(gòu)模型，并詳細(xì)地介紹了模型參數(shù)的確定方法，該方法可用于合成纖維纜繩任一組分（比如纖維、紗線、子纜和纜繩）的參數(shù)確定。研究表明所提出的蠕變-破斷模型采用少量短期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可標(biāo)定模型參數(shù)，然后可以高效地預(yù)測在其他載荷水平下合成纖維纜繩全壽命周期的蠕變-破斷響應(yīng)?？傮w來說，模型預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較高。此外，為了更加準(zhǔn)確地刻畫合成纖維纜繩的力學(xué)特性，特別是為了更好地刻畫合成纖

7、維纜繩在復(fù)雜載荷條件下的力學(xué)行為，建立了粘彈性、粘塑性以及損傷相耦合的本構(gòu)模型，并采用新的蠕變-破斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了新模型的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　最后，基于系泊纜繩力學(xué)特性的認(rèn)識和把握，提出了一新型混合纜。為了考察該混合系纜的可行性，采用鋼鏈-高強(qiáng)聚乙烯纜繩-聚酯纜繩-鋼鏈所組成的新型繃緊式系泊系統(tǒng)開展了動力響應(yīng)和疲勞分析，并將所得的數(shù)值結(jié)果與采用鋼鏈-聚酯纜繩-鋼鏈所組成的傳統(tǒng)繃緊式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)新型繃緊式系泊系統(tǒng)可以有