新型深海多柱桁架式平臺及立管結構疲勞性能研究.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)固定式采油平臺的新型浮式結構物不斷涌現(xiàn)。其中，Spar平臺以運動穩(wěn)定、安裝拖航靈活等優(yōu)點，受到了世界各大石油公司的廣泛關注。由于我國南海海域的地理環(huán)境和氣候條件與墨西哥灣較為相似，而Spar平臺在墨西哥灣的成功應用，為該類型平臺應用于我國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?本文作為國家自然科學基金專項基金資助項目“深海平臺的動力特性

2、研究”、上海市科委重大基礎研究課題資助項目“深海單柱式平臺關鍵動力特性的理論與實驗研究”以及國家863計劃資助項目“深水油氣開發(fā)工程試驗技術”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(Cell-TrussSpar)在復雜海洋環(huán)境下關鍵節(jié)點的疲勞性能以及平臺頂端張緊式立管在渦激振動下的疲勞壽命預報方法。 本文將理論研究與工程應用緊密結合，在海洋工程結構物疲勞壽命預報方法的理論研究、Spar平臺關鍵節(jié)點疲勞性能評估、深海

3、立管渦激振動響應預報以及深海立管渦激振動疲勞壽命預測方法等多方面開展了深入研究，取得了積極的進展。本文開展的主要研究工作如下： 1.全面回顧和總結了近年來深海Spar平臺的發(fā)展、海洋結構物疲勞壽命研究方法以及深海立管渦激振動響應和渦激振動疲勞壽命研究等國內外研究成果和進展。對本文的研究對象--上海交通大學海洋工程國家重點實驗室提出的新型深海多柱桁架式平臺(Cell-TrussSpar)的概念和結構特點進行了介紹。 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平臺各關鍵節(jié)點處的疲勞壽命評估及可靠性分析研究，同時開展了不同類型海域環(huán)境對Spar平臺關鍵節(jié)點疲勞壽命影響的對比研究，總結了該Spar平臺各關鍵節(jié)點疲勞損傷的特點和規(guī)律。 3.通過對疲勞線性累積損傷理論充要條件的理論證明和對規(guī)范中推薦采用的裂紋擴展模型的分析評述，指出了傳統(tǒng)疲勞譜分析方法存在的局限性。針對該局限性，本文基于譜分析法中的頻域信息

5、，采用小波分析技術對疲勞交變應力的隨機過程進行時間歷程仿真，并結合一定的隨機裂紋擴展模型，探索出了一套適用于船舶與海洋工程結構物疲勞壽命評估的時.頻混合分析模型，并將該混合分析模型應用于Cell-TrussSpar平臺的疲勞壽命評估。該時.頻混合分析模型較好地解決了全時域疲勞分析計算量巨大與傳統(tǒng)譜分析無法考慮載荷先后順序影響之間的矛盾。 4.針對均質等截面深海頂端張緊式立管的特點，結合近年來兩類渦激振動實驗的現(xiàn)象和重要結論，從振

6、型函數、鎖定區(qū)域判定、附加質量模型、最大響應幅值以及流體阻尼等5個方面對以往的計算模型進行了改進，建立了深海頂端張緊式立管在非均勻來流下渦激多模態(tài)響應的簡化分析模型。并應用若干個渦激振動實驗結果對預報模型進行了驗證，簡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構物的初步設計提供依據。 5.針對變參數的細長立管渦激振動問題，本文基于deWilde受迫振蕩實驗的流體力信息并采用能量平衡的思想建立了VIV有限元預報