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半潜平台结构强度分析及撑杆趾端疲劳寿命预报

作　者: 丁远平
导　师: 窦培林
学　校: 江苏科技大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 半潜平台谱分析法结构强度水动力性能分析疲劳可靠性
分类号: U661
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着陆地油气资源的不断枯竭，海洋成了未来能源的主战场。作为深海油气开发的主流装备，新型半潜式海洋钻井平台对我国而言，还有很大的空间有待探究。其一，就水动力性能而言，半潜平台的低垂荡运动有利于更高的时间比例进行钻探，较低横摇、纵摇幅值运动有助于平台操作和运输，以及其他水动力性能的研究有利于动力定位系统的开发，等等；其二，就结构强度分析而言，结构强度是平台良好运行的先决条件，其意义不言自明；其三，由于波浪载荷的循环作用，就必须考虑疲劳强度；其四，在结构设计阶段，往往只考虑强度，而工艺建造水平以及经济效益才是真正决定该领域的发展方向，故在结构设计时也要多考虑工艺和经济效益；等等。本文依托ABS规范，用DNV.SESAM软件完成了平台结构强度分析、水动力性能分析和关键部位疲劳可靠性分析。其主要研究内容和结论如下：1）统计了半潜式钻井平台的发展历史和现行状况，分析了平台结构和技术特点，总结了国内外波浪载荷和疲劳可靠性的研究现状。2）阐述了水动力分析的基本理论，其中包括零航速的三维势流理论求解，任意位置任意点的morison杆上波浪力的求解，平台水动力参数的物理意义以及波浪载荷长期预报的理论推导。根据ABS《近海结构物疲劳评估》规范，从理论上推导了采用S-N曲线与Miner线性累积损伤理论为基础的疲劳谱分析法，总结了结构热点谱疲劳可靠性分析的完整过程。3）完成了三种半潜平台的波浪载荷计算和水动力性能比较分析，得出斜撑平台的垂荡响应运动最优，以及撑杆结构的变化对平台一阶波浪激励力影响不大。4）总结了目标半潜平台的结构强度分析方法和流程，并采用随机性设计波法，确定了三种半潜平台的设计波参数，得出中纵剖面的最大纵向剪切状态时波浪载荷最恶劣。同时，根据ABS规范对三种平台的关键部位进行了屈服强度校核，得到斜撑平台最好，但疲劳热点数较多，推荐改用空间交叉型的撑杆结构。此外，还分析了水平撑杆的焊接工艺技术和探讨了不同撑杆形式对建造的影响，可知斜撑结构工艺相对复杂。5）采用疲劳谱分析法，预报了撑杆趾端疲劳寿命，结果显示符合ABS规范的设计寿命20年要求，并得到了97.13%以上的可靠度。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-15
第一章绪论  15-25
  1.1 课题的研究背景与意义  15-16
  1.2 半潜式平台简介  16-22
    1.2.1 半潜式平台的发展和现状  16-19
    1.2.2 半潜式平台结构简介及技术特点  19-22
  1.3 国内外波浪载荷和疲劳可靠性研究现状  22-24
    1.3.1 波浪载荷研究现状  22-23
    1.3.2 疲劳可靠性研究现状  23-24
  1.4 本文主要工作及关键技术  24-25
    1.4.1 本文主要工作  24
    1.4.2 本文关键技术  24-25
第二章波浪载荷计算和疲劳可靠性的基本理论  25-45
  2.1 概述  25
  2.2 三维线性势流理论基础  25-29
    2.2.1 基本假定  25-26
    2.2.2 平台在规则波中的运动坐标系  26
    2.2.3 速度势的求解  26-29
  2.3 莫里森（Morison）方程  29-30
  2.4 平台水动力参数  30-31
    2.4.1 附加质量和阻尼系数  30
    2.4.2 一阶波浪激励力  30-31
    2.4.3 一阶运动响应  31
  2.5 波浪载荷统计预报  31-33
    2.5.1 波浪谱  31-32
    2.5.2 频域分析法  32
    2.5.3 波浪散布图  32
    2.5.4 短期预报  32-33
    2.5.5 长期预报  33
  2.6 谱分析的 S-N 曲线法  33-37
    2.6.1 ABS 近海结构 S-N 曲线  34-35
    2.6.2 基于 S-N 曲线的疲劳强度  35-37
  2.7 疲劳评定的谱分析法  37-41
    2.7.1 短期闭合法  37
    2.7.2 闭合疲劳损伤计算关键步骤  37-39
    2.7.3 闭合损伤表达式  39-40
    2.7.4 疲劳安全检测  40-41
  2.8 疲劳可靠性分析  41-43
  2.9 本章小结  43-45
第三章三种半潜平台的波浪载荷计算  45-72
  3.1 概述  45
  3.2 半潜平台的设计参数  45-49
    3.2.1 坐标系统  45-46
    3.2.2 主尺度  46-47
    3.2.3 材料特质  47-48
    3.2.4 环境条件  48
    3.2.5 载荷条件  48-49
    3.2.6 边界位移条件  49
  3.3 三维水动力模型  49-51
    3.3.1 第一种平台湿表面  49
    3.3.2 第二种平台湿表面  49-50
    3.3.3 第三种平台湿表面  50-51
  3.4 水动力分析  51-71
    3.4.1 半潜平台的附加质量及阻尼系数  51-53
    3.4.2 半潜平台的一阶波浪激励力  53-57
    3.4.3 半潜平台的运动响应  57-62
    3.4.4 半潜平台的剖面载荷  62-71
  3.5 本章小结  71-72
第四章三种平台结构强度分析  72-86
  4.1 概述  72
  4.2 半潜平台结构强度计算的基本思路  72
  4.3 基于设计波参数计算  72-78
    4.3.1 设计波的概念  75
    4.3.2 主要载荷参数  75
    4.3.3 设计波系统的确定  75-76
    4.3.4 设计计算工况  76-77
    4.3.5 设计波参数的确定  77-78
  4.4 屈服强度校核  78-81
    4.4.1 许用应力衡准  78
    4.4.2 计算结果与对比分析  78-81
  4.5 撑杆结构工艺比较分析  81-85
    4.5.1 水平横撑焊接工艺技术  81-84
    4.5.2 焊接工艺比较分析  84-85
  4.6 本章小结  85-86
第五章半潜平台结构疲劳可靠性分析  86-96
  5.1 概述  86
  5.2 半潜平台疲劳校核部位的确定  86-87
  5.3 疲劳评估的流程  87
  5.4 热点应力范围传递函数计算  87-88
    5.4.1 波浪载荷分析和整体有限元分析  87-88
    5.4.2 子模型分析和局部有限元分析  88
    5.4.3 热点应力计算  88
  5.5 短期疲劳损伤计算  88-92
    5.5.1 波浪谱  88-89
    5.5.2 S-N 曲线  89-90
    5.5.3 板厚修正  90-91
    5.5.4 平均应力影响修正  91-92
    5.5.5 带宽修正  92
    5.5.6 焊接法向线定义  92
  5.6 长期疲劳损伤计算和疲劳校核  92-94
  5.7 疲劳可靠性计算  94
  5.8 本章小结  94-96
第六章总结与展望  96-98
  6.1 主要研究工作及结论  96-97
  6.2 不足之处及进一步研究展望  97-98
参考文献  98-100
致谢  100-101
攻读硕士学位期间发表的学术论文  101-102
大摘要  102-107

半潜平台结构强度分析及撑杆趾端疲劳寿命预报

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