深海立管的疲勞壽命預(yù)報方法.pdf

1、一、課題研究的意義和目的 海底石油管線是海洋油氣資源開發(fā)和利用的生命線，其安全性直接影響著海洋工程的發(fā)展和海洋生物的安全。隨著深海技術(shù)的發(fā)展，浮動生產(chǎn)系統(tǒng)(FPSO)，新型的spar平臺結(jié)構(gòu)將會得到廣泛的應(yīng)用。在上述結(jié)構(gòu)設(shè)計中，海洋立管是連接海底采油設(shè)備和浮于海面的浮式結(jié)構(gòu)的輸油管道,該系統(tǒng)是重要的組成部分，直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。由于深海立管受到外環(huán)境動荷載的周期性作用，其疲勞破壞是主要的失效方式，因此，研究深海立

2、管的疲勞強度和可靠性分析，為建立基于可靠性理論的海洋立管疲勞強度評估提供理論依據(jù)，具有十分重要的理論價值和實際意義。 二、課題研究的方法 本論文的主要研究包括： 1、采用Stokes 五階波理論、計算流體力學(xué)、Morison 方程等理論建立深海立管的動力荷載計算數(shù)學(xué)模型；根據(jù)所研究的載荷形式，支承條件和結(jié)構(gòu)特點，建立立管的力學(xué)模型，進(jìn)行力學(xué)分析；采用譜分析法推導(dǎo)出傳遞函數(shù)，利用傳遞函數(shù)由海浪譜確定海洋立管中由波流

3、引起的應(yīng)力譜； 2、由建立的波、流耦合動力荷載的數(shù)學(xué)模型，分析立管在波、流耦合動力荷載作用下的動力響應(yīng)；采用大型專用有限元軟件（SESAM軟件）建立深海立管的有限元模型，用有限元分析法分析深海立管在波、流耦合荷載作用下的動力響應(yīng)，進(jìn)一步獲得應(yīng)力響應(yīng)幅值； 3、根據(jù)應(yīng)力譜得到交變應(yīng)力過程的統(tǒng)計特征值(標(biāo)準(zhǔn)差)，選定一疲勞載荷的概率分布模型，確定應(yīng)力范圍的概率密度函數(shù)，由S-N曲線建立深海立管疲勞強度的概率模型，確定以Min

4、er線性累積損傷理論為基礎(chǔ)的疲勞累積損傷模型，給出深海立管疲勞壽命預(yù)報公式。 4、利用概率統(tǒng)計、極限分析等方法，正態(tài)分布和Weibull分布函數(shù)，建立疲勞失效的可靠性評估方法，給出失效概率和可靠度的計算公式；采用一立管實例進(jìn)行可靠性分析，分析各隨機變量對可靠度的影響。 三、課題研究的結(jié)論 1、本文用基于線性波和斯托克斯五階波兩種方法，分別求得了立管上的波浪力和隨機波浪力譜，得到了波浪譜密度函數(shù)到波浪波浪力譜的傳遞

5、函數(shù)，為進(jìn)一步求得立管的應(yīng)力譜作了基礎(chǔ)。 2、本文主要介紹水下立管在波浪、流等環(huán)境載荷作用下的動力分析，求解了立管在波浪、流等環(huán)境載荷作用下的位移響應(yīng)、速度響應(yīng)，彎矩、軸向張力和應(yīng)力的時間歷經(jīng)并分析了立管在波浪與流作用下各節(jié)點位移響應(yīng)、速度響應(yīng)，張力、彎矩和應(yīng)力的時間歷經(jīng)，較真實的模擬了立管各節(jié)點位移、速度，張力、彎矩和應(yīng)力的瞬時值，用于工程計算是可行的。 3、本文主要針對線性波浪理論，推導(dǎo)出深海立管所受的應(yīng)力譜及其疲勞