薄壁梁约束扭转极限承载能力简化计算方法研究

为了快速并有效地计算海洋平台等薄壁箱型梁结构的约束扭转极限承载能力,进行了薄壁梁约束扭转极限承载能力简化计算方法研究.基于塑性极限状态分析理论,提出了薄壁梁约束扭转极限状态应力分布假设,将薄壁梁视作为一系列由主要支撑构件和扶强材支撑的板格,推导了薄壁梁约束扭转极限承载能力上限的计算公式.应用非线性有限元方法验证了所提假设和计算公式的精度,将所提方法应用于箱型梁模型和半潜平台的约束扭转极限承载能力的计算分析,并与非线性有限元结果进行了比对,结果表明,本方法具有较高的精度,可用于海洋平台等薄壁梁的扭转极限承载力上限的估算.     

正压冲固平台结构分析中基础边界条件的影响

正压冲固平台是一种采用短桩加固基础的新型海洋采油平台,对于这种新型的平台结构,在结构分析和构件强度校核中必须考虑其有限元模型的基础边界条件处理问题。本文提出了正压冲固平台有限元计算模型中基础边界条件的一种简化方法,将两个水平方向的扭转自由度简化为扭转弹簧边界元,其余自由度简化为固定约束。通过计算分析得到了不同的边界约束刚度系数的取值对平台总体位移和强度校核应力的影响及变化趋势。结论是,平台结构对约束刚度系数K的反应在10^4～10^4之间时比较明显,对K的敏感度最为强烈：在此范围之外,平台反应分别接近于简支约束情况和刚性约束情况。尤其对于接近约束边界的单元,其应力变化最敏感。     

半潜平台疲劳热点应力长期分布参数研究

明确热点应力长期Weibull分布的参数是船舶与海洋工程结构应用疲劳简化分析方法的关键之一。以某深水半潜式平台为研究对象,通过整体结构有限元计算得到热点应力传递函数,结合波浪散布图计算热点应力长期分布概率函数,采用最小二乘法对热点应力长期Weibull分布进行参数估计。研究结果可为疲劳简化分析方法在半潜平台上的应用提供参考。     

近海固定平台碰撞的准静态分析

本文采用增量有限元方法结合极限分析的概念，研究近海固定平台碰撞的静力强度。文中综合考虑了平台结构在碰撞加载过程中的大变形和塑性变形特性，建立了以广义应力表达的圆管截面的屈服条件，采用塑性节点法（ＰＮＭ）推导得到了单元的弹塑性矩阵。文中也考虑了梁柱单元的屈曲情况。本文所采用的载荷增量法结合牛顿—拉夫逊迭代，可跟踪加载过程中平台结构上塑性铰的出现，并最终获得平台结构的极限承载能力。     

半潜式平台结构整体可靠性分析方法

针对海洋环境中的半潜式平台多方面不确定性,基于半潜式平台结构整体强度分析方法,考虑多种波浪荷载作用的结构响应,采用非线性逐步垮塌分析方法,研究平台在不同控制工况下的极限承载力模型,建立相应的功能函数.根据结构体系可靠度理论和失效模式之间的关系,采用串联体系的可靠度计算方法.最后,对一座具体半潜式平台在100年重现期波浪荷载作用下进行了体系可靠性计算.计算结果表明平台整体可靠度水平由波浪引起的主要结构响应形式决定.通过计算,验证可靠度计算方法具有高效性和可行性,可以为大型深水浮式平台结构的设计、维护和评估提供理论依据.     

半潜式钻井平台浮箱表面裂纹前沿断裂参量和临界状态评估研究

对于半潜式钻井平台浮箱,裂纹的扩展不仅影响结构的水密性甚至可能对结构的安全产生巨大威胁,并直接决定平台的整体使用寿命。以南海某平台为研究对象,对浮箱板壳椭圆形表面裂纹前沿应力强度因子的分布规律,以及裂纹形状系数对裂纹前沿应力强度因子分布规律的影响等进行了研究。在此基础上,基于BS7910规范中‘合于使用’原则,对裂纹的临界状态进行了分析和评定,为海洋环境条件下半潜式钻井平台浮箱表面裂纹的极限尺寸研究提供了一种科学的方法。     

一种非对称无横撑半潜式平台的整体强度评估

本文基于设计波法对某新型半潜式平台的整体强度进行了研究分析。不同于传统半潜式平台结构形式,该新型半潜式平台的浮筒一大一小,对应的两组立柱也是一大一小,因此结构关于中纵剖面是非对称的;此外该半潜式平台没有横撑结构。本文首先确定了作业吃水和自存吃水情况下新型半潜式平台四种典型危险工况对应的设计波参数,然后研究分析了不同危险工况下半潜式平台的整体强度,并对新型半潜式平台与传统半潜式平台在整体强度方面的差异进行了比较。研究结果表明,该新型平台的最大应力最易出现在大立柱内侧与甲板连接拐角区域,而传统有横撑半潜式平台的最大应力多发生在横撑与立柱连接区域。此外,浮筒与甲板之间的大倒角设计有助于提高新型半潜式平台的整体强度。     

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。     

腐蚀损伤下海洋平台极限强度计算方法及试验研究

基于非线性有限元方法,计及材料非线性和几何非线性,考虑腐蚀损伤因素提出了一种固定式海洋平台极限强度计算方法,并以墨西哥湾某海域某典型固定式海洋平台为算例,对其进行全寿命期内极限强度计算,获得了该海洋平台极限强度随服役年限的变化规律。同时依据刚度相似和几何相似,设计完好试验模型和腐蚀试验模型,开展极限强度试验研究,将试验结果与计算结果对比分析,通过试验手段验证了腐蚀损伤下海洋平台极限强度计算方法的有效性。     

基于S-N曲线的深水半潜平台疲劳寿命分析

深水半潜平台工作环境恶劣,造价成本高,为保证安全工作,有必要对其进行疲劳寿命分析。首先利用SESAM软件建立目标平台整体模型并分析总体结构响应。然后根据平台总体结构响应计算结果,选取立柱与横撑连接处、立柱外板与上甲板连接处两个关键节点,建立关键节点有限元模型,计算其热点应力。最后采用S-N曲线分析该平台在中国南海环境条件下的疲劳寿命。分析结果显示该平台疲劳寿命符合规范要求,但立柱与横撑连接处的疲劳寿命偏低,应加强日常检修和维护。     

海洋平台板架结构简化评估对比研究

在海洋浮体平台设计初期,为了快速评估设计方案的结构强度水平,需要研究高效的简化方法。本文基于正交异性板理论,综合了平面应力和横向弯曲两种承载方式,改进了板架结构的正交简化评估方法。改进方法克服了原来只针对单一载荷型式的局限性,可以满足组合载荷状态下板架参数的等效变换。为了验证改进方法的适用性和精度水平,分别采用常规方法和改进方法,针对某案例平台的局部板架结构和整体结构开展了强度评估。评估结果表明,采用改进方法得到的结构区域应力水平误差在15%以内,满足初始阶段总强度评估的精度要求。     

The new simple design equations for the ultimate compressive strength of imperfect stiffened plates

The new simple design equations for predicting the ultimate compressive strength of stiffened plates with initial imperfections in the form of welding-induced residual stresses and geometric deflections were developed in this study. A non-linear finite element method was used to investigate on 60 ANSYS elastic–plastic buckling analyses of a wide range of typical ship panel geometries. Reduction factors of the ultimate strength are produced from the results of 60 ANSYS inelastic finite element analyses. The proposed design equations have been developed based on these reduction factors. For the real ship structural stiffened plates, the most general loading case is a combination of longitudinal stress, transverse stress, shear stress and lateral pressure. The new simplified analytical method was generalized to deal with such combined load cases. The accuracy of the proposed equations was validated by the experimental results. Comparisons show that the adopted method has sufficient accuracy for practical applications in ship design.     

半潜平台总体强度评估的谱分析法和设计波法对比

采用谱分析方法对半潜平台进行总体强度评估,验证了谱分析方法的可操作性。利用谱分析法计算平台关键连接部位处的应力水平,并与采用设计波法得到的应力结果进行比较,讨论两种方法之间的相关性。计算表明,谱分析法与设计波法存在一定的相关性,谱分析法的计算结果相对准确可靠,设计波法的计算精度依赖于选取的特征载荷工况,且目前规范推荐的载荷工况不够全面。本研究成果可为类似平台的总体强度分析提供参考。     

Truss Spar平台桁架管节点疲劳分析

Truss Spar平台在风、浪、流的作用下,结构受力十分复杂,准确分析其疲劳强度相当困难。通过建立Truss Spar平台三维有限元模型,利用HydroD软件进行载荷预报、波浪搜索,得到产生最大应力幅响应的最不利浪向和相位角。运用Sestra软件进行整体有限元分析,得到的结果作为桁架管节点细化模型的边界条件,再用Nastran软件进行局部分析求得节点的热点应力,修正壁厚影响。最后根据DNV规范的S-N曲线计算了管节点的疲劳寿命。     

Ultimate strength of ship hulls under torsion

For a ship hull with large deck openings such as container vessels and some large bulk carriers, the analysis of warping stresses and hatch opening deformations is an essential part of ship structural analyses. It is thus of importance to better understand the ultimate torsional strength characteristics of ships with large hatch openings. The primary aim of the present study is to investigate the ultimate strength characteristics of ship hulls with large hatch openings under torsion. Axial (warping) as well as shear stresses are normally developed for thin-walled beams with open cross sections subjected to torsion. A procedure for calculating these stresses is briefly described. As an illustrative example, the distribution and magnitude of warping and shear stresses for a typical container vessel hull cross section under unit torsion is calculated by the procedure. By theoretical and numerical analyses, it is shown that the influence of torsion induced warping stresses on the ultimate hull girder bending strength is small for ductile hull materials while torsion induced shear stresses will of course reduce the ship hull ultimate bending moment.     

Structural Stress Monitoring and FEM Analysis of the Cutting Operation of the Main Bracket of A Semi-Submersible Platform

For a semi-submersible platform in repair, the eight old main brackets which connect columns with pontoons need to be replaced by new ones. In order to ensure the safety of the cutting operation of the old main bracket and calculate the initial stress condition of new main bracket, the structural stress monitoring of eight key spots is carried out, and then the calibrated finite element model is established according to the field monitoring results. Before cutting the main bracket and all associated structures, eight rectangular rosettes were installed, and a tailored cutting scheme was proposed to release the initial stress, in which the main bracket and associated column and pontoon plates were partly cut. During the cutting procedure, the strains of the monitoring spots were measured, and then the structural stress of the monitored spots were obtained. The stress variation characteristics at different spots during the initial cutting operation were shown and the initial stress condition of the monitored spots was figured out. The loading and support conditions of the semi-submersible platform were calibrated based on the measured initial stress condition, which made the finite element model more credible. The stress condition with the main bracket and associated structures being entirely cut out is analyzed by the Finite Element Method(FEM), which demonstrates the cutting operation to be safe and feasible. In addition, the calibrated finite element model can be used to calculate the initial stress condition of the new main bracket, which will be very helpful for the long-term stress monitoring on the main bracket.     

固定式海洋平台极限强度试验研究

根据墨西哥湾某海域一典型固定式海洋平台为原型,按照几何相似准则和刚度相似准则设计并制作海洋平台试验模型,开展极限强度模型试验研究,观察并记录其破坏过程。并采用非线性有限元方法(ANSYS)对试验模型进行极限强度数值计算,将计算结果与试验结果对比,结果表明计算结果与试验结果吻合较好,验证非线性有限元方法的有效性。