新型深海多柱桁架式平臺及立管結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yīng)用，為該類型平臺應(yīng)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(xué)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(chǔ)研究課題資助項目“深海單柱式平臺關(guān)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(shù)”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(fù)雜海洋環(huán)境下關(guān)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(yù)報方法。 本文將理論研究與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，在海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞壽命預(yù)報方法的理論研究、Spar平臺關(guān)鍵節(jié)點疲勞性能評估、深海

3、立管渦激振動響應(yīng)預(yù)報以及深海立管渦激振動疲勞壽命預(yù)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(jié)了近年來深海Spar平臺的發(fā)展、海洋結(jié)構(gòu)物疲勞壽命研究方法以及深海立管渦激振動響應(yīng)和渦激振動疲勞壽命研究等國內(nèi)外研究成果和進展。對本文的研究對象--上海交通大學(xué)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)鍵節(jié)點疲勞壽命影響的對比研究，總結(jié)了該Spar平臺各關(guān)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(shù)對疲勞交變應(yīng)力的隨機過程進行時間歷程仿真，并結(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhì)等截面深海頂端張緊式立管的特點，結(jié)合近年來兩類渦激振動實驗的現(xiàn)象和重要結(jié)論，從振

6、型函數(shù)、鎖定區(qū)域判定、附加質(zhì)量模型、最大響應(yīng)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(yīng)的簡化分析模型。并應(yīng)用若干個渦激振動實驗結(jié)果對預(yù)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(jié)構(gòu)物的初步設(shè)計提供依據(jù)。 5.針對變參數(shù)的細(xì)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(yù)報