钢悬链线立管与海底相互作用弹性基础梁模拟方法研究

采用弹性基础梁模型,模拟钢悬链线立管(steel catenary riser,SCR)与海床土的相互作用,推导了弹性基础梁模型的有限元公式,基于该模型编制了钢悬链式立管的动力分析程序,在此基础上,分析了在浮体运动及环境载荷作用下,钢悬链线立管触地点区域的动力响应特征,并与弹簧支撑模型进行了比较。研究表明,弹性基础梁模型对单元长度的敏感性较低,可采用较长的单元,从而减少计算量。     

基于可靠性的海洋立管疲劳安全系数研究

综合考虑了立管疲劳安全系数取值的相关因素——立管的安全等级、设计寿命、检验周期、载荷和损伤计算方法等的不确定性,提出了基于可靠度的疲劳安全系数确定方法,筛选了用于计算波致疲劳和VIV(涡激振动)疲劳的随机变量,给出了立管波致疲劳与VIV疲劳安全系数的计算流程,并以某SCR(钢悬链线立管)为例进行了安全系数计算。结果表明,该方法的计算结果优于传统的安全系数确定方法,尤其适合于特殊工程方案或新颖设计的立管疲劳校核。     

老龄自升式平台极限承载能力与体系可靠性分析

通过海洋平台桩-土非线性弹簧模型的研究,结合桩基荷载-位移数据计算程序的编制,为工程实际应用提供简便可靠的方法。对某自升式钻井平台在完好状态和受损状态下的极限承载能力作了对比研究,通过逐级增加载荷的方法,基于精确计算模型对平台结构进行非线性分析,具体依据载荷类型、载荷作用力方向等,得到12种计算工况,研究老龄平台在受损状态下对强度储备的影响,并评估其安全状况。考虑外界荷载的随机性和不确定性,基于极限承载能力分析,采用等效荷载法,运用JC法进行平台体系可靠性计算,分析完好平台与老龄平台的结构体系可靠性,并作对比研究。     

内孤立波与深海立管相互作用数值模拟

提出了一种对内孤立波与深海立管相互作用耦合数值模拟方法。流场采用内孤立波数值水槽方法进行模拟,结构响应采用基于薄壳理论的有限元方法进行计算,采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的方法,实现了流体与固体之间的耦合数值模拟。对内孤立波作用下某长径比为1 200的深海立管载荷及其动力响应特性进行了数值模拟与分析。结果表明内孤立波不仅会对深海立管产生突发性剪切载荷作用,而且还会使立管产生大幅度变形响应现象,因此在深海立管设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。研究表明,该方法为研究内孤立波作用下深海立管动力特性及其工程预报相关问题提供了一种有效的手段。     

组合载荷作用下深海非粘结柔性管力学性能对比分析

建立深海非粘结柔性管新型力学数值分析模型,分析其在复合载荷工况下的力学性能。深海非粘结柔性立管是深水资源开发的关键设备,安装成本低,适用于恶劣深海环境。然而,由于非粘结柔性管本身的结构型式复杂以及层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使其局部力学性能分析面临众多挑战。研究针对非粘结柔性立管特殊的结构型式,建立一个高效的数值分析模型,对其刚度进行数值求解并与实验结果进行对比,探讨了内压和拉伸、扭转、弯曲的组合载荷工况和拉扭组合载荷工况对非粘结柔性立管刚度的影响。研究表明,本文所建立的简化模型计算结果与实验结果吻合较好。此外,柔性立管所受到的内压可以在一定程度上增加非粘结柔性立管的刚度;拉扭组合载荷工况使非粘结柔性立管的拉伸刚度降低明显,而使其扭转刚度少量增加,总体上较单一载荷工况更加危险。     

基于进化策略的顶张力立管海底井口布置方法研究

顶张力立管(TTR)在使用过程中,由于恶劣的工作环境,由多根立管构成的立管束容易发生立管间的碰撞。碰撞一旦发生将对立管的性能产生严重影响。立管在海底井口的合理布置可以有效地减少立管间碰撞的发生。进化策略(Evolution Strategy,ES)是一种快速可靠的遗传算法。考虑到当前进行端口布置时计算量大、计算时间长的问题,将ES应用于顶张力立管海底端口布置的问题上,采用简化模型进行端口布置优化设计,同时对于立管数目较多时,提出将立管进行分组计算的方法,在保证结果正确性的基础上提高计算的快速性。将计算结果与lingo软件计算结果进行了对比,证实了方法的有效性。     

基于有限元方法的柔性立管防弯器疲劳寿命分析

防弯器是柔性管系统中的一个关键附件,其与柔性立管相互作用带来的非线性问题使得预测其疲劳寿命十分困难。以南海某油田柔性立管防弯器为例,采用ABAQUS建立了柔性立管与防弯器的“管中管”分析模型,模型中考虑了两者之间的间隙和滑动摩擦,以及材料非线性和接触非线性等因素。在加载方式上利用“位移”载荷取代传统的“力—角度”载荷,更符合工程实际。利用防弯器材料的ε-N疲劳试验曲线,结合防弯器的应力分析结果,得到危险截面的疲劳寿命。考虑材料非线性的管中管模型和疲劳寿命的计算方法,可为今后运动监测数据的利用和防弯器的优化设计提供借鉴。     

深水钢悬链立管疲劳寿命评估分析

在时域内分析深水钢悬链立管在平台运动和波流载荷共同作用下的非线性动力响应;采用雨流计数法处理立管节点应力的时间历程,选用DoE.E型S-N曲线分析立管在单一海况和平台运动联合作用下的疲劳损伤;将各方向含概率分布的疲劳损伤进行叠加,得到立管整体的全方向疲劳损伤及疲劳寿命。平台的运动为六自由度的运动预报数据,波流载荷由某海域实际的波浪统计数据采用Morison公式计算所得。计算结果表明钢悬链立管疲劳寿命的极值点分别位于悬挂点附近和触地点附近,对立管疲劳寿命极值点各方向疲劳损伤分布情况进行了分析。所提方法为钢悬链立管疲劳分析提供了新思路,给出的结论对钢悬链立管设计分析有一定借鉴意义。     

考虑非线性管-土接触模型的钢悬链线立管触地区动态曲率分析

钢悬链线立管(SCR)具有特殊的结构型式,循环载荷作用下,由于海床模型的不确定性易导致触地区产生较高的弯曲应力,引发疲劳损伤。基于非线性P-y曲线管-土接触模型,运用大挠度曲线梁模型来模拟SCR与海床土的相互作用,研究SCR在浮体二维运动和海床作用下,触地区的动态曲率变化情况。由计算结果可知:1)由于在立管的有效张力中考虑局部曲率的影响,导致立管触地区的有效张力显著增加,并产生较高的弯矩; 2)动态分析中,分别运用线弹性海床和非线性海床模型,研究立管触地区的相对曲率随相对时间的变化曲线,表明非线性海床将使触地区的相对曲率具有明显的非线性,且有多个峰值,变化幅度较大,并出现反向曲率; 3)垂荡运动比纵荡对曲率的影响大,且运动幅值越大,影响越明显。     

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动（vortex-induced vibration,简称VIV）,发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明：基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。     

排桩模型在"嵌岩"基坑工程中的应用

排桩支护方案应用于存在上覆软弱土层的"嵌岩"基坑中,通常面临"吊脚桩"问题,其设计计算在规范中无明确设计方法或计算模型。根据分步开挖工况不同,拟合工程实际,采取多种模型设计方法,最大限度地利用岩土体自身强度,分别以排桩模型、"吊脚桩"模型、复合土钉墙模型,等效荷载替代桩锚土体模型等多种计算方法综合确定设计参数。以清晰明了的数学模型确保设计结果的可靠性,使设计方案做到安全可靠、经济合理、方便可行。     

中国南海极端风暴海况下固定式平台结构可靠性分析

基于中国南海海域风暴环境条件,研究分析南海海域固定式导管架平台结构整体性和可靠性,以及新建固定式平台结构设计准则。采用海洋环境数据后报方法,得到南海海域1972~2011共40年的风、浪、流联合数据,从中抽取风暴环境条件;利用通用荷载模型,将40年间的风暴环境数据转变成结构的荷载数据,即基底剪力或倾覆力矩;并计算得到风暴环境荷载的短期及长期分布,以及任意风暴下荷载的概率分布;根据结构可靠性模型,结合荷载的长期分布,研究基于结构暴露等级及失效概率的固定式平台结构强度储备比。根据计算,得到了不同暴露等级下中国南海平台的强度储备比,并与墨西哥湾及北海海域进行了比较,为新建平台提供设计参考。     

梁板式高桩码头结构整体可靠度计算方法

在环境条件和使用荷载作用下,高桩码头结构损伤和承载力降低是普遍存在的问题。在役梁板式高桩码头结构安全评估,是保证港口设施安全运行的必要措施。结构整体可靠度是结构安全评估的核心指标,但目前尚未建立结构整体可靠度计算的有效方法。基于非线性有限元数值模型,采用蒙特卡罗模拟技术确定了典型梁板式高桩码头结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数,研究了损伤位置、损伤程度和损伤数量等对极限承载力概率分布及其统计参数的影响,明确了无损结构整体极限承载力概率分布模型及其统计参数可用于损伤结构分析。将结构整体极限承载力作为结构抗力随机变量,采用一次二阶矩法计算结构的可靠指标,建立了一种在役梁板式高桩码头结构整体可靠度计算的有效方法。     

Risk Analysis of Breakwater Caisson Under Wave Attack Using Load Surface Approximation

A new load surface based approach to the reliability analysis of caisson-type breakwater is proposed. Uncertainties of the horizontal and vertical wave loads acting on breakwater are considered by using the so-called load surfaces, which can be estimated as functions of wave height, water level, and so on. Then, the first-order reliability method（FORM） can be applied to determine the probability of failure under the wave action. In this way, the reliability analysis of breakwaters with uncertainties both in wave height and in water level is possible. Moreover, the uncertainty in wave breaking can be taken into account by considering a random variable for wave height ratio which relates the significant wave height to the maximum wave height. The proposed approach is applied numerically to the reliability analysis of caisson breakwater under wave attack that may undergo partial or full wave breaking.     

考虑软土蠕变对强度影响的高桩码头岸坡时变可靠度分析

考虑软土蠕变导致的土体抗剪强度的衰减效应,建立了软土长期强度模型,用以量化由于土体蠕变导致的土体抗剪强度参数随时间的变化规律。将时变可靠度理论结合有限元强度折减法,提出了考虑软土蠕变对强度影响的高桩码头岸坡时变可靠度算法。采用拉丁超立方抽样方法来改进传统蒙特卡罗法的随机抽样过程,提高计算效率。针对某一岸坡实例,将采用本文算法计算得到的可靠度结果与其他算法评估的结果进行对比分析,验证本文算法的可靠性。最后以我国沿海某高桩码头岸坡为例,基于本文算法评估了该码头岸坡的时变可靠度,分析了岸坡稳定性的时变规律。文中提出的时变可靠度分析方法不仅可以为在役高桩码头岸坡的安全评估提供强有力的技术支撑,同时也能为一些新建工程项目提供一定的参考应用价值。     

The evaluation method of total damage to ship in underwater explosion

Whipping response will happen when a ship is subjected to underwater explosion bubble load. In that condition, the hull would be broken, and even the survivability will be completely lost. A calculation method on the dynamic bending moment of bubble has been put forward in this paper to evaluate the impact of underwater explosion bubble load on the longitudinal strength of surface ships. Meanwhile the prediction equation of bubble dynamic bending moment has been concluded with the results of numerical simulation. With wave effect taken into consideration, the evaluation method of the total damage of a ship has been established. The precision of this evaluation method has been proved through the comparison with calculation results. In order to verify the validity of the calculation results, experimental data of real ship explosion is applied. Prediction equation and evaluation method proposed in this paper are to be used in ship structure design, especially in the preliminary prediction of the ultimate withstanding capability of underwater explosion damage for the integrated ship in preliminary design phase.     

Reliability analysis of submarine slope considering the spatial variability of the sediment strength using random fields

The properties of marine sediments vary spatially, and the undrained shear strength of marine clay increases linearly with depth because of depositional processes and the effective overburden pressure. To evaluate the stability of submarine slope considering the spatial variability of soil strength, the random field discretized by the Karhunen-Loève expansion is combined with the limit equilibrium method to conduct reliability analysis. For simplicity, our physical model does not include many complexities such as the effects of excess pore water pressure on the stability of submarine slopes. Stability estimates of the infinite slope model, under both static and seismic loading, are made with three types of one-dimensional stationary or non-stationary random fields. The two-dimensional slope model is also analyzed, where the shear strength varies with the positions of the strips because of the discrete random-field function for the soil material. In submarine slope reliability analysis, the non-stationary random field of the linearly increasing soil strength is used, instead of the commonly used stationary one. To obtain the failure probability through Monte Carlo simulations, a novel response surface method based on Gaussian process regression is introduced to build the surrogate model. The computational efficiency is significantly increased, because there is a considerable reduction of calls of the deterministic analysis. Therefore, the proposed method makes the prediction of submarine landslides which are usually rare events with very small probabilities more efficient.     

循环载荷作用下损伤船体梁极限强度研究

为了研究循环载荷作用下扶强材初始损伤对其极限强度的影响,进行了14组扶强材的循环加载试验和分析。构造了考虑材料累积损伤完整、断筋和大变形的扶强材单元极限承载力计算公式,提出了相应循环载荷作用下损伤扶强材单元的端缩曲线表达式和船体梁极限强度计算的简化逐步破坏法。编制了循环载荷作用下船体梁损伤极限强度计算程序,进行了船体梁极限强度计算,并与有限元结果进行对比。研究结果表明：改进的损伤扶强材模型可较为准确地描述扶强材材料损伤的完整、断筋和大变形的极限承载力退化情况,扶强材腹板断裂的损伤相较初始大变形及材料累积损伤形式承载力下降程度更明显;所提出的循环载荷作用下损伤船体梁极限强度计算的简化逐步迭代方法,能定量地计算扶强材在不同类型损伤下的极限承载力退化程度,具有较高精度,方便易行,可应用于工程设计。     

A Global Refiability Assessment Method on Aging Offshore Platforms with Corrosion and Cracks

Corrosion and fatigue cracks are major threats to the structural integrity of aging offshore platforms.For the rational estimation of the safety levels of aging platforms,a global reliability assessment approach for aging offshore platforms with corrosion and fatigue cracks is presented in this paper.The base shear capacity is taken as the global ultimate strength of the offshore plaffoms,it is modeled as a random process that decreases with time in the presence of corrosion and fatigue crack propagation.And the corrosion and fatigue crack growth rates in the main members and key joints are modeled as random variables.A simulation method of the extreme wave loads which are applied to the structures of offshore platforms is proposed too.Furthermore,the statistics of global base shear capacity and extreme wave loads are obtained by Monte Carlo simulation method.On the basis of the limit state equation of global failure mode,the instantaneous reliability and time dependent reliability assessment methods are both presented in this paper.Finally the instantaueous reliability index and time dependent failure probability of a jacket platform are estimated with different ages in the demonstration example.     

深水钻井船动力定位能力分析方法研究

在风载荷估算的传统模块法基础上,引入了形状修正系数、方向修正系数和遮蔽系数,提出了适合于钻井船风载荷估算的改进模块法,可为钻井船动力定位能力分析提供更准确的环境载荷。同时,针对深水钻井船配置有数量众多推力器的特点,采用序列二次规划法进行推力器的推力分配优化求解,形成了适用于深水钻井船的动力定位能力分析方法,并编制了相关分析软件。实例分析表明,本方法计算结果可靠,可以用于深水钻井船的动力定位能力评估。