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海洋平台结构的断裂分析

作　者: 刘楠
导　师: 王银邦
学　校: 中国海洋大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 重力式平台 Spar平台静动力分析裂纹有限元法边界元法
分类号: U674.381
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

我国现在投产的油田大多数属于边际油田，所以在我国油气田的开发中应研究适用于边际油田的海上采油平台类型，当然，随着科学技术的不断进步，深海油田也在不断的被开发，人类正在逐步完成由浅海到深海油田的开发利用。海洋平台是海洋石油开发的关键设备，随着人类对海洋石油资源的迫切需求，所需的海洋石油平台数量也越来越多。本文选取的研究对象有两个：一是适用于边际油田和小油田的浅海重力式平台，另一个是适用于深海的Spar平台。重力式平台是一种靠自重来保持平台稳定性的钢筋混凝土结构，一般适用于比较浅的海域，其结构大致由三部分组成：底部储油罐(沉箱)、支撑立柱和平台甲板，底部的储油罐部分一般直接和海底接触，可用于储存石油；沉箱上采用钢筋混凝土或钢质立柱来支撑上部甲板。这类平台由于其具有甲板面积大、对海洋环境适应性强、防火、防腐性能好及维修费低等优点，可综合多种用途，作为海洋石油开发的多用平台；同时，Spar平台被广泛应用于人类开发深海的事业中，目前投入实际生产的Spar平台在整体组成上一般可分为六大系统：平台上体、平台主体、浮力系统、中心井、立管系统和系泊系统。Spar平台担负了钻探、生产、海上原油处理、石油储藏和装卸等各种工作，它被很多石油公司视为下一代深水平台的发展方向。各种海洋平台结构复杂，造价高昂，在服役过程中，海洋平台长期处于十分恶劣的环境，结构功能容易退化，自然会产生许多复杂的机械损伤，如腐蚀损耗、疲劳裂纹或局部凹陷等。本文首先将重力式平台的储油罐结构进行简化，考虑其二维裂纹，研究其在风、波浪、海流及海冰等载荷作用下的断裂破坏；其次运用大型有限元软件对深海Spar平台结构进行静动力分析，在此基础上对Spar平台的三维主体结构进行断裂分析，并研究其疲劳裂纹扩展及疲劳寿命；最后，用边界元方法进行了不同风载荷作用下Spar平台带边裂纹主体部分的扭转断裂分析，为油田实际工程应用打下基础。本文的具体工作及创新点如下：1.浅海重力式海洋平台二维结构的断裂分析：研究重力式海洋平台沉箱的表面裂纹最大深度，通过考虑沉箱有一个内表面裂纹，将问题简化为无裂纹重力式平台问题和带裂纹矩形板问题的叠加，应用有限元方法对重力式海洋平台无裂纹情形进行静力分析，得到与裂纹位置对应处的环向拉应力，计算裂纹矩形板的应力强度因子，得到海洋环境荷载下沉箱内表面裂纹的最大深度。2.深海Spar平台结构的静动力分析：针对我国南海的具体情况，应用大型有限元通用软件ANSYS对平台进行建模，模型建立后根据所处环境条件对平台进行静动力分析，静力分析时考虑一种波浪工况，动力分析时首先进行平台的模态分析，在模态分析的基础上研究波浪等环境载荷对所建Spar平台模型的动力响应。3.深海Spar平台三维结构的断裂分析：在平台静动力分析的基础上，利用三维实体单元建立计算模型，对模型进行独特的网格划分，阐述了在ANSYS中，三维裂纹应力强度因子计算分析的简捷方法，并将计算结果和现有理论结果进行对比分析，最后简要讨论裂纹的疲劳扩展，这是论文的创新点之一。4.风载荷作用下Spar平台带边裂纹主体的扭转断裂分析：考虑复杂的海洋环境载荷及所建平台的固有模态，发现扭转作用是不容忽视的。将Spar平台的主体结构简化为一种材料组成的柱体，考虑其边缘裂纹，通过建立适用于柱体Saint-Venant扭转的边界积分方程对Spar平台主体部分的扭转断裂进行研究；讨论裂纹尖端的奇异性，应用边界元方法进行分析，将问题划归为各个边界上积分方程的求解，并编制Fortran程序进行计算，对含有直线裂纹和曲线裂纹柱体的扭转断裂破坏进行了分析，所得结果与文献资料吻合，证明了边界元方法的正确性和有效性，最后对Spar平台在不同风载荷作用下含裂纹主体部分的扭转断裂进行了计算，这是创新点之二。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-15
1 绪论  15-25
  1.1 课题背景  15-16
  1.2 国内外研究现状及发展动态  16-22
    1.2.1 海洋平台的断裂分析  16-18
    1.2.2 裂纹柱的扭转理论  18-22
  1.3 本文的研究目的及研究内容  22-25
    1.3.1 研究目的及意义  22
    1.3.2 主要研究内容及创新点  22-23
    1.3.3 主要技术路线  23-25
2 基本理论  25-43
  2.1 有限元法概述  25-27
    2.1.1 有限元法简介  25-26
    2.1.2 有限元法的力学基础及主要内容  26
    2.1.3 有限元通用软件 ANSYS  26-27
  2.2 边界元方法  27-31
    2.2.1 边界元法发展概况  27-29
    2.2.2 边界元法的数学基础及基本思想  29-30
    2.2.3 边界元法的优缺点  30-31
  2.3 断裂力学简介  31-35
    2.3.1 断裂力学主要内容  31-32
    2.3.2 裂纹的类型  32
    2.3.3 断裂准则简介  32-35
  2.4 海洋环境载荷  35-43
    2.4.1 风载荷作用理论  35-36
    2.4.2 波浪理论及波浪载荷  36-39
    2.4.3 海流载荷计算  39-40
    2.4.4 海冰载荷  40-43
3 重力式海洋平台二维结构的断裂分析  43-50
  3.1 重力式海洋平台断裂模型  43-44
  3.2 无裂纹海洋平台结构的有限元分析  44-46
  3.3 沉箱的断裂分析  46-49
  3.4 本章小结  49-50
4 深海 Spar 平台结构的静动力分析  50-74
  4.1 引言  50-54
  4.2 深海 Spar 平台有限元模型的建立  54-56
    4.2.1 平台参数设计  54-55
    4.2.2 选用的单元特性  55-56
    4.2.3 ANSYS 建立平台结构模型  56
  4.3 Truss Spar 平台的静力分析  56-63
    4.3.1 海洋环境条件设置  56-58
    4.3.2 搜索波流耦合相位角  58-59
    4.3.3 波浪工况下各种海洋环境载荷的计算  59-60
    4.3.4 平台在波浪工况下的静力分析  60-63
  4.4 Truss Spar 平台的模态分析  63-65
  4.5 Truss Spar 平台的谐响应分析  65-68
  4.6 波浪载荷下 Spar 平台的响应  68-72
    4.6.1 波浪载荷的确定  69-71
    4.6.2 波浪载荷作用下深海 Spar 平台随机分析  71-72
  4.7 本章小结  72-74
5 深海 Spar 平台三维结构的断裂分析  74-90
  5.1 Spar 平台计算模型  75-76
  5.2 Spar 平台三维结构的断裂分析  76-82
    5.2.1 有限元方法计算  76-80
    5.2.2 理论计算  80-82
  5.3 疲劳裂纹扩展  82-88
    5.3.1 裂纹扩展的力学条件  82-84
    5.3.2 裂纹扩展速率的确定  84-86
    5.3.3 三维表面裂纹扩展的理论推导  86-87
    5.3.4 疲劳裂纹扩展剩余寿命预测  87-88
  5.4 本章小结  88-90
6 风载荷作用下 Spar 平台带边裂纹主体的扭转断裂分析  90-117
  6.1 平台主体扭转的基本公式  90-97
    6.1.1 Spar 平台主体部分的基本结构  90-91
    6.1.2 柱体 Saint-Venant 扭转问题的理论简介  91-93
    6.1.3 带裂纹柱体扭转问题的边界积分方程  93-97
  6.2 抗扭刚度和应力强度因子的计算  97
  6.3 含边裂纹柱体扭转问题的裂纹尖端奇异性处理  97-100
  6.4 边界元数值计算  100-111
    6.4.1 插值函数的选取  100-104
    6.4.2 奇异元上积分的计算  104-107
    6.4.3 非奇异元上积分的计算  107-111
  6.5 带边裂纹柱体扭转问题的数值算例  111-113
    6.5.1 含直线边裂纹的柱体  111-112
    6.5.2 含折线边裂纹的柱体  112-113
  6.6 Spar 平台主体在风载荷作用下的扭转分析算例  113-116
    6.6.1 风载荷对 Spar 平台主体的扭转作用  113-114
    6.6.2 平台主体数值计算实例  114-116
  6.7 本章小结  116-117
7 结论和展望  117-120
  7.1 主要结论  117-118
  7.2 论文创新点  118-119
  7.3 展望  119-120
参考文献  120-127
致谢  127-128
个人简历  128
发表的学术论文  128-129

海洋平台结构的断裂分析

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