海洋平台导管架结构疲劳寿命与损伤裂纹扩展仿真研究

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导管架海洋平台是最常见的平台结构形式,现今在役的导管架平台数量庞大。长期服役在复杂的海洋环境中,结构不可避免的老化损伤;考虑成本、建造技术等方面原因,长期以来我国从国外引进了大量的旧平台加以改造后继续使用。对这些老化损伤的老龄化平台进行疲劳评估显得尤为重要,既要计算平台安全使用的全寿命周期,也要考虑损伤状态下旧平台的剩余寿命。本文以某导管架海洋平台为例,用设计波法计算平台结构在波浪与海流共同作用下的响应,探讨其在服役期的安全性,并找出导管架平台结构的应力热点位置;随后计算结构在随机波浪作用下的疲劳寿命;最后探讨带裂纹管节点结构的剩余寿命以及影响剩余寿命的因素。首先,查阅导管架平台结构环境荷载、钢材性能以及管节点结构疲劳SN曲线等资料,为后续的仿真分析工作提供必要的数据资料。其次,在阐述导管架海洋平台环境荷载相关理论基础上,运用ANSYS软件建立平台结构整体模型,采用设计波法原理,引用设计波和海流参数对有限元模型两个典型方向分别进行计算,获得结构在极限海况下的应力应变响应,判断平台的安全性,并根据名义应力确定导管架结构管节点应力热点的位置。再次,计算平台结构的前六阶模态并在此基础上求得结构阻尼系数;建立导管架热点处管节点段的局部模型,在步骤二计算结果的基础上求解应力集中系数SCF;选择合理的波浪数据,运用Airy波叠加原理生成自由波荷载并加载有限元模型,求解各应力热点位置的应力-时间历程;采用雨流计数法原理对应力时程进行计数,利用管节点结构疲劳SN曲线,计算各应力热点位置的管节点疲劳寿命。最后,在平台结构上加载疲劳等效波,计算平台结构受到最大波浪力时,热点位置处管节点结构的响应,并在此基础上计算管节点结构的全寿命周期;然后在阐述疲劳裂纹扩展理论、Paris公式等基础上,导入管节点有限元模型并进行裂纹扩展仿真分析,分析裂纹扩展的条件和发生疲劳破坏所需要的时间;计算了不同荷载幅下结构发生疲劳破坏的时间,以此考查初始裂纹尺寸、不同裂纹位置和荷载幅度对结构剩余疲劳寿命的影响;给出老龄化海洋平台检修、加固的参考意见。
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