系缆全生命期内极限破断和疲劳损伤特性及影响研究

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海洋浮式平台的系泊系统长期处于作业状态,在海洋环境载荷和平台运动的不断作用下,以腐蚀和磨损为主的损伤会导致系缆极限破断强度不断降低。此外,腐蚀因素会使得系缆直径减小,进一步影响系缆张力值。在全生命期内,腐蚀和磨损等损伤因素会导致系缆在遭受恶劣海况时发生极限破断事故的风险增大,从而对海洋平台人员和设备构成严重威胁。因此,有必要研究腐蚀磨损损伤因素对系缆极限破断性能、疲劳损伤的影响以及系缆断裂对系缆构型的影响。本文建立了一套能够考虑腐蚀因素的系缆动力响应分析算法,针对局部关键锚链研究腐蚀磨损对锚链极限破断性能的影响,针对整条系缆研究腐蚀对系缆分段疲劳损伤演变的影响。进一步建立能够考虑系缆断裂情况的系缆动力响应分析算法,计算系缆在不同算例下的张力、倾角时程。具体内容如下:(1)针对腐蚀磨损因素对系泊锚链极限破断的影响,首先,分析均匀腐蚀深度对系缆重量、刚度和等效直径的影响,结合海洋环境腐蚀规律建立考虑腐蚀因素的系泊系统整体动态张力计算方法。然后,结合链环之间Archard磨损理论研究锚链磨损体积与接触应力和滑移距离的关系,建立考虑腐蚀磨损因素的局部链环结构有限元模型。研究在全生命期内系泊锚链关键区域极限张力、极限破断强度和安全系数的演变特性。(2)针对腐蚀因素对系缆疲劳损伤的影响,本文根据考虑腐蚀因素的系缆动力响应分析算法以及CCS规范中系缆极限强度演变的计算公式,结合API规范中给出的疲劳分析流程,建立考虑腐蚀的系缆疲劳损伤分析方法,研究系缆全生命期内疲劳损伤的演变特性。结果表明,随着服役年限的增加,系缆的腐蚀不断加剧,系缆各分段张力时程的统计值呈下降趋势,系缆各分段的疲劳损伤值则呈上升趋势。(3)针对系缆断裂对系缆构型的影响,本文首先对系缆断裂节点进行受力分析,将系缆断裂划分为系缆拖地段、悬空段节点断裂两种情况,进一步结合CCS规范中系缆拖地段海底摩擦力的计算公式,提出了考虑系缆断裂的系缆动力响应分析算法。在研究中发现,随着断裂节点位置不断向系缆顶端靠近,系缆响应分析稳定段的张力平均值呈减小趋势,倾角平均值则呈增大趋势。进一步设置相应算例可知,系缆预张力对系缆断裂响应分析稳定段的张力、倾角平均值几乎没有影响;系缆顶端运动的幅值越大,响应分析稳定段张力平均值越小,倾角平均值则越大。
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