CFRP修复含点蚀FPSO的船体梁崩溃机理研究

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FPSO长期在海上作业很容易发生点蚀,造成船体结构发生破坏,引发一系列的海上安全事故,因此对船体点蚀的检查维修是FPSO安全生产的重要保障措施。针对传统船舶维修方法的缺点以及FPSO独特的工作环境,考虑安全性、经济性等因素,本文提出一种使用CFRP做修补材料,以粘贴的形式去加固和修复FPSO点蚀损伤的方法,实现FPSO结构的在线维修,提高FPSO经济效益和安全性。本文首先在总结国内外钢结构修复方法的基础上,提出外贴CFRP层压板法来修复点蚀损伤,然后采用非线性有限元方法验证了CFRP修复点蚀损伤方法的可行性。接着从模型范围、网格尺寸、初始缺陷、边界条件等方面对联合载荷作用下CFRP修复点蚀加筋板的极限强度进行了分析,考虑了CFRP参数、点蚀参数、胶层参数对CFRP修复点蚀加筋板的影响,并对CFRP修复点蚀船体梁的崩溃机理进行了研究。最后在外贴CFRP层压板法的基础上,对CFRP修复点蚀船体结构技术方法进行了研究。具体研究成果如下:(1)通过对CFRP修复点蚀加筋板研究发现:初始缺陷和点蚀会降低加筋板的承载能力,使用外贴CFRP层压板法对点蚀加筋板进行加固修复能够提高其极限强度,改善点蚀区域的应力集中。胶层作为连接CFRP与加筋板的纽带,在结构的加固过程中主要传递剪力。(2)对联合载荷作用下CFRP修复点蚀加筋板的极限强度进行计算发现:横向载荷和侧向载荷会降低CFRP修复点蚀加筋板的极限强度,改变CFRP的受力状态,影响CFRP对点蚀加筋板的修复效果。双向压缩状态下加筋板的纵向极限强度随着横向载荷比例的增加而减小,横向极限强度随着横向载荷比例的增加而增大。(3)研究了CFRP、点蚀和胶层参数对CFRP修复点蚀加筋板的影响规律,研究结果表明:CFRP铺层角度与载荷同向时修复效果最好,增加CFRP尺寸会带来更好的修复效果。点蚀尺寸的增加会降低修复效果,点蚀位置对修复效果影响较大。点蚀位于加强筋上对修复效果的影响程度要远远大于点蚀位于面板上,并且在加强筋上的胶层更易出现破坏。胶层厚度对修复效果影响较小,而胶层属性的影响在于加筋板达到极限强度前胶层是否出现破坏。(4)建立半船FPSO舱段模型,对CFRP修复点蚀船体梁的极限强度进行计算,分析完整结构、含点蚀损伤和CFRP修复含点蚀FPSO在中垂/中拱状态下的应力分布及极限弯矩变化规律。相比于完整结构的极限弯矩,点蚀会降低了船体梁的极限弯矩,使用CFRP对点蚀船体梁进行修复可以提高其极限弯矩。甲板、舷侧和船底的胶层容易出现失效,胶层失效均是从CFRP两端开始,并逐渐扩散使得CFRP完全脱落。(5)在外贴CFRP层压板法的基础上,提出了外贴CFRP加筋板法和CFRP填补点蚀坑法,并分析不同修复方法对点蚀损伤的修复效果。研究结果表明:在修复效果上:外贴CFRP层压板法<外贴CFRP加筋板法<CFRP填补点蚀坑法。在点蚀面、非点蚀面和双面粘贴CFRP进行修复均有效果,且双面修复效果更好。在使用填补点蚀坑法的基础上,联合使用外贴CFRP层压板法对点蚀的修复效果更好,提升程度达到37.3%,远超使用一种修复方法进行修复后的效果。
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