合成纖維系纜非線性動力特性及繃緊式系泊系統(tǒng)響應研究.pdf

1、新型深水繃緊式系泊系統(tǒng)以合成纖維材料系纜作為主體系纜,在復雜海洋環(huán)境條件下,系纜的時間相關(guān)特性(蠕變-回復)、特殊的循環(huán)張力-伸長關(guān)系、動剛度特性以及疲勞破壞特性等非線性力學特性,與系泊系統(tǒng)的性能響應及安全性直接相關(guān),深入認識和把握這些特性對于繃緊式系泊系統(tǒng)在深海工程的應用具有十分重要而緊迫的意義。本文基于對繃緊式系泊系統(tǒng)關(guān)鍵特性的認識,通過機理探究、理論發(fā)展和模型實驗研究,針對合成纖維系纜的循環(huán)動力特性、蠕變-回復特性以及繃緊式系泊系

2、統(tǒng)的動力響應和疲勞壽命這三項內(nèi)容展開了深入的研究,主要研究工作及創(chuàng)新成果包括:
　　首先,為了研究合成纖維纜繩的循環(huán)動力特性,設計并制造了循環(huán)加載實驗系統(tǒng),這是國內(nèi)首臺能針對合成纖維纜繩進行循環(huán)載荷實驗的設備。值得一提的是,在國際范圍內(nèi),本實驗系統(tǒng)還有以下三大亮點:(1)設計采用光軸與拉線位移傳感器組合的測量系統(tǒng)實現(xiàn)對纜繩標記段的測量,纜繩的剛性鐵夾與傳感器及拉線端頭底座之間用強磁連接,實現(xiàn)了對測量系統(tǒng)的保護;(2)采用雙水箱結(jié)合

3、的水循環(huán)系統(tǒng),真實地模擬了纜繩浸泡于水中的工程實際狀態(tài);(3)采用機械轉(zhuǎn)輪與伺服電機結(jié)合的室內(nèi)臥式實驗加載系統(tǒng),具有便于安裝運輸、造價低和耗能小等優(yōu)點;
　　第二,針對合成纖維系纜在循環(huán)載荷作用下的力學特性,包括循環(huán)張力-伸長關(guān)系及其滯回特性、動剛度及殘余應變隨加載周次的演變等開展了模型實驗研究。對平均張力、應變幅值等影響因素進行了深入的分析和探討?；诹烤V分析法推導了動剛度相似準則,并結(jié)合不同直徑纜繩的模型實驗結(jié)果對其進行了考察

4、。將動剛度實測結(jié)果與國際常用經(jīng)驗公式進行了對比和分析?；趯铣衫w維系纜循環(huán)動力特性的深入認識,提出了考慮循環(huán)載荷周次的動剛度經(jīng)驗公式,該經(jīng)驗公式具有通用性,是傳統(tǒng)動剛度經(jīng)驗公式的繼承和發(fā)展,具有重要的工程參考價值;
　　第三,建立了能全面反映Aramid和Polyester等合成纖維系纜的蠕變-回復特性的本構(gòu)模型。提出了確定模型參數(shù)的詳細方法,可以適用于纖維、紗線、子纜及全比尺系纜等各種比尺的系纜組分。為了考察模型的有效性和可靠

5、性,以Chailleux和Davies文獻中的Aramid和Polyester紗線為例進行計算分析,并將計算結(jié)果與其數(shù)值和實驗結(jié)果進行了對比,結(jié)果表明,基于本模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合得更好。本模型一方面避免了Chailleux和Davies模型中因參數(shù) pD而與物理規(guī)律不符的現(xiàn)象,另一方面也實現(xiàn)了對Flory等所述纜繩變形特性的定量描述;
　　第四,結(jié)合Schapery理論和Owen粘塑性理論,建立了能定量描述合成纖維系纜循環(huán)

6、動力特性的新型本構(gòu)模型,提出了確定模型參數(shù)的詳細方法。為了考察本模型的有效性和可靠性,以Polyester和Aramid纜繩的實驗工況為例進行了計算分析。將動剛度計算結(jié)果與模型實驗結(jié)果及經(jīng)驗公式進行了對比,結(jié)果表明,三者較為吻合;將滯回圈計算結(jié)果與模型實驗結(jié)果進行對比,結(jié)果表明,基于本模型能模擬出與實驗規(guī)律相符的物理現(xiàn)象。本模型從纜繩變形機理和載荷歷史角度出發(fā),是Fran?ois和Davies所描述的真正的“時域”本構(gòu)模型,一方面填補了

7、反映合成纖維系纜時間相關(guān)特性本構(gòu)關(guān)系的空白,另一方面也為特定海況下系泊系統(tǒng)動力響應的深入分析提供了有力工具;
　　第五,基于時域動力分析理論、雨流計數(shù)法以及 Palmgren-Miner線性累積損傷理論,針對FPSO及其 Polyester繃緊式系泊系統(tǒng)進行了全面的動力響應及疲勞分析,詳細考察了預張力、動剛度以及 T-N曲線這三種影響因素對其疲勞壽命的影響。對單纜失效前后進行的系泊系統(tǒng)疲勞分析表明,單纜失效導致系泊形式發(fā)生改變,顯