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合成纤维系缆非线性动力特性及绷紧式系泊系统响应研究

作　者: 黄维
导　师: 刘海笑
学　校: 天津大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 绷紧式系泊系统合成纤维系缆非线性动力特性动刚度时间相关蠕变－回复疲劳寿命
分类号: U653.2
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

新型深水绷紧式系泊系统以合成纤维材料系缆作为主体系缆，在复杂海洋环境条件下，系缆的时间相关特性（蠕变－回复）、特殊的循环张力－伸长关系、动刚度特性以及疲劳破坏特性等非线性力学特性，与系泊系统的性能响应及安全性直接相关，深入认识和把握这些特性对于绷紧式系泊系统在深海工程的应用具有十分重要而紧迫的意义。本文基于对绷紧式系泊系统关键特性的认识，通过机理探究、理论发展和模型实验研究，针对合成纤维系缆的循环动力特性、蠕变－回复特性以及绷紧式系泊系统的动力响应和疲劳寿命这三项内容展开了深入的研究，主要研究工作及创新成果包括：首先，为了研究合成纤维缆绳的循环动力特性，设计并制造了循环加载实验系统，这是国内首台能针对合成纤维缆绳进行循环载荷实验的设备。值得一提的是，在国际范围内，本实验系统还有以下三大亮点：（1）设计采用光轴与拉线位移传感器组合的测量系统实现对缆绳标记段的测量，缆绳的刚性铁夹与传感器及拉线端头底座之间用强磁连接，实现了对测量系统的保护；（2）采用双水箱结合的水循环系统，真实地模拟了缆绳浸泡于水中的工程实际状态；（3）采用机械转轮与伺服电机结合的室内卧式实验加载系统，具有便于安装运输、造价低和耗能小等优点；第二，针对合成纤维系缆在循环载荷作用下的力学特性，包括循环张力－伸长关系及其滞回特性、动刚度及残余应变随加载周次的演变等开展了模型实验研究。对平均张力、应变幅值等影响因素进行了深入的分析和探讨。基于量纲分析法推导了动刚度相似准则，并结合不同直径缆绳的模型实验结果对其进行了考察。将动刚度实测结果与国际常用经验公式进行了对比和分析。基于对合成纤维系缆循环动力特性的深入认识，提出了考虑循环载荷周次的动刚度经验公式，该经验公式具有通用性，是传统动刚度经验公式的继承和发展，具有重要的工程参考价值；第三，建立了能全面反映Aramid和Polyester等合成纤维系缆的蠕变－回复特性的本构模型。提出了确定模型参数的详细方法，可以适用于纤维、纱线、子缆及全比尺系缆等各种比尺的系缆组分。为了考察模型的有效性和可靠性，以Chailleux和Davies文献中的Aramid和Polyester纱线为例进行计算分析，并将计算结果与其数值和实验结果进行了对比，结果表明，基于本模型的计算结果与实验结果吻合得更好。本模型一方面避免了Chailleux和Davies模型中因参数Dp而与物理规律不符的现象，另一方面也实现了对Flory等所述缆绳变形特性的定量描述；第四，结合Schapery理论和Owen粘塑性理论，建立了能定量描述合成纤维系缆循环动力特性的新型本构模型，提出了确定模型参数的详细方法。为了考察本模型的有效性和可靠性，以Polyester和Aramid缆绳的实验工况为例进行了计算分析。将动刚度计算结果与模型实验结果及经验公式进行了对比，结果表明，三者较为吻合；将滞回圈计算结果与模型实验结果进行对比，结果表明，基于本模型能模拟出与实验规律相符的物理现象。本模型从缆绳变形机理和载荷历史角度出发，是Fran ois和Davies所描述的真正的“时域”本构模型，一方面填补了反映合成纤维系缆时间相关特性本构关系的空白，另一方面也为特定海况下系泊系统动力响应的深入分析提供了有力工具；第五，基于时域动力分析理论、雨流计数法以及Palmgren-Miner线性累积损伤理论，针对FPSO及其Polyester绷紧式系泊系统进行了全面的动力响应及疲劳分析，详细考察了预张力、动刚度以及T-N曲线这三种影响因素对其疲劳寿命的影响。对单缆失效前后进行的系泊系统疲劳分析表明，单缆失效导致系泊形式发生改变，显著增加未失效系缆尤其是相邻系缆的负载，导致系缆的疲劳寿命明显缩短。目前，针对深水系缆仍然缺乏成熟的检测技术，获得单缆失效对绷紧式系泊系统疲劳损伤及疲劳寿命影响的定量描述，具有重要意义。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 绷紧式系泊系统总述  12-15
  1.3 合成纤维系缆材料与编织结构  15-16
  1.4 合成纤维系缆力学特性的研究现状  16-21
  1.5 本文的研究内容  21-24
第二章合成纤维系缆模型实验系统及测量技术  24-30
  2.1 概述  24
  2.2 模型实验系统及其主要技术指标  24-25
  2.3 加载系统  25-26
  2.4 设备底座  26-27
  2.5 水环境与测量系统  27-29
  2.6 小结  29-30
第三章循环载荷作用下合成纤维系缆力学特性的模型实验研究  30-71
  3.1 概述  30-32
  3.2 实验材料和试样  32-37
  3.3 模型实验结果及讨论  37-53
    3.3.1 循环张力－伸长关系及其滞回特性  38-46
    3.3.2 动刚度和残余应变的演变  46-53
  3.4 动刚度模型相似准则  53-56
    3.4.1 基于量纲分析法推导动刚度相似准则  53-54
    3.4.2 动刚度相似准则的实验考察  54-56
  3.5 动刚度经验公式  56-62
    3.5.1 Polyester  56-60
    3.5.2 Aramid  60-61
    3.5.3 HMPE  61-62
  3.6 考虑循环载荷周次的动刚度经验公式  62-70
  3.7 小结  70-71
第四章合成纤维系缆蠕变－回复特性的数值模拟  71-89
  4.1 概述  71-72
  4.2 应力－应变关系模型  72-75
    4.2.1 描述粘弹性特性的 Schapery 单积分本构方程  73-74
    4.2.2 描述粘塑性特性的一维本构方程  74-75
    4.2.3 Chailleux 和 Davies 模型采用的粘弹性和粘塑性函数  75
  4.3 模型参数确定方法  75-77
  4.4 数值模型验证  77-87
    4.4.1 Aramid 纱线实验结果与模型模拟结果的比较  77-82
    4.4.2 Polyester 纱线实验结果与模型模拟结果的比较  82-87
  4.5 小结  87-89
第五章合成纤维系缆循环动力特性的数值模拟  89-136
  5.1 概述  89-90
  5.2 应力－应变本构模型及其求解算法  90-93
  5.3 模型参数确定  93-105
    5.3.1 确定方法  93-96
    5.3.2 Aramid 工况中模型参数的确定过程  96-100
    5.3.3 Polyester 工况中模型参数的确定过程  100-105
  5.4 参数分析以及讨论  105-125
  5.5 模型验证  125-135
    5.5.1 Aramid  125-129
    5.5.2 Polyester  129-135
  5.6 小结  135-136
第六章绷紧式系泊系统的动力响应及疲劳分析  136-156
  6.1 概述  136-138
  6.2 绷紧式系泊系统的动力分析和疲劳分析  138-140
    6.2.1 时域动力分析  138
    6.2.2 疲劳分析及计算流程  138-140
  6.3 数值模型及环境载荷  140-143
    6.3.1 数值模型  140-141
    6.3.2 环境条件  141-143
    6.3.3 分析工况  143
  6.4 影响因素考察  143-150
    6.4.1 预张力  144-147
    6.4.2 动刚度  147-150
    6.4.3 T-N 曲线  150
  6.5 Polyester 系泊系统的疲劳寿命  150-151
  6.6 单缆失效下 Polyester 系缆的疲劳寿命  151-154
  6.7 小结  154-156
第七章结论与展望  156-160
  7.1 主要结论  156-158
  7.2 展望  158-160
参考文献  160-168
发表论文和参加科研情况说明  168-170
致谢  170-171

合成纤维系缆非线性动力特性及绷紧式系泊系统响应研究

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