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深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法研究

王一飞  
【摘要】: 随着油气资源的勘探和开采向深海领域推进,深海立管涡激振动问题逐渐成为工业界和学术界共同关心的热点问题,而考虑涡激振动引起的疲劳损伤是立管设计中必不可少的一个重要环节。 本文作为上海市科委专项基金项目“深海单柱式平台关键动力特性的理论与实验研究”(项目编号:05DJ14001)的有机组成部分,主要研究工作有如下几个方面: (1)课题相关研究领域的综述——针对深海立管涡激振动响应预报方法、疲劳累计损伤理论、疲劳裂纹扩展理论以及深海立管涡激振动疲劳寿命预报方法四个方面的国内外研究进展进行综述,介绍目前解决这些问题的已有方法、发展过程及应用情况。 (2)深海立管涡激振动预报方法介绍——介绍了涡激振动的基本概念以及基本参数,并根据流体力确定方式的不同,分别概述了深海立管涡激振动预报的经验模型和CFD模型,并重点介绍了课题组开发的深海立管涡激振动预报模型,为下一步进行深海立管涡激振动疲劳寿命预报提供了理论依据。 (3)基于S-N曲线的深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法研究——依据课题组开发的涡激振动响应预报程序得到涡激振动响应,然后假设涡激振动引起的交变应力范围长期分布服从Rayleigh分布,选取适当的疲劳S-N曲线,结合Palmgren-Miner线性累积损伤准则,通过详细的理论推导给出了深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法。此外,通过与实验数据的比较,为工程应用推荐了一种较为合理的预报多模态涡激振动疲劳损伤的方法。 (4)深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析——依据(3)中提出的深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法,全面而详细的讨论了立管顶部预张力、管内流体密度、管外流速分布、立管外径、立管壁厚以及立管材料弹性模量对涡激振动疲劳损伤的影响,得到了一些有价值的结论,为立管设计和工程应用提供了参考依据。 (5)基于疲劳裂纹扩展理论的McEvily模型——详细推导了具有广阔应用前景的McEvily模型,并在三组疲劳实验数据的基础上,通过非线性最小平方拟合的手段研究了McEvily模型中表征裂纹闭合水平参数的确定方法,为后续考虑载荷比效应的改进McEvily模型的提出作好了铺垫。 (6)有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th与应力比R的关系研究——通常认为不同应力比下有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th为定值,本文假定ΔK eff,th是应力比R的函数,从Schmidt and Paris (1973)提出的ΔK eff,th的简化模型、基于裂纹完全闭合模型的ΔK eff,th实验结果以及基于裂纹局部闭合模型的ΔK eff,th实验结果三方面入手深入探讨了ΔK eff,th与应力比R之间的关系,得到了一个全新的结论。 (7)改进McEvily模型的提出——虽然McEvily模型已经能够解释试验中观察到的大部分疲劳现象,但是在具体应用中还是遇到了不少困难。作者对McEvily模型进行了两方面的改进:一是将不同金属材料对应的疲劳裂纹扩展率曲线的斜率视为变量,而不再是固定值;二是认为ΔK eff,th和宏观裂纹张开应力强度因子K op,max对于不同的应力比都是变量。并将改进McEvily模型的预报结果与相应实验结果进行比较,验证了改进McEvily模型在解释载荷比效应时的适用性,为后续深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报方法的提出奠定了理论基础。 (8)深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报方法研究——由于深海立管涡激振动响应时域预报方法还不成熟,作者通过产生随机数的方法来模拟立管涡激振动时域载荷历程,应用(7)中提出的改进McEvily模型来进行疲劳裂纹扩展寿命预报。同时,也进行了不考虑载荷比效应时的疲劳裂纹扩展寿命预报作为比较,凸显了时域涡激振动疲劳寿命预报时合理考虑载荷比效应的必要性。 (9)总结与展望——总结全文工作,同时展望未来该领域研究工作的发展方向。 本文创新性的工作主要体现在:多模态涡激振动疲劳损伤预报方法研究、有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th与应力比R关系的研究、考虑载荷比效应的改进McEvily模型的提出以及将疲劳裂纹扩展理论应用到深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报当中。通过分析研究得出的主要结论如下: (1)对于多模态涡激振动响应,取各阶激发模态中疲劳损伤的最大值作为校核点的疲劳损伤与实验结果吻合较好,适合工程应用。 (2)顶部预张力、立管外径、弹性模量以及沿立管长度方向的流速分布都对涡激振动疲劳损伤有非常明显的影响。适当增加立管顶部预张力,可以减小涡激振动疲劳损伤。而立管外径较大时,相应的涡激振动疲劳损伤也较大。立管设计中,在其它条件允许的前提下,应尽量选用弹性模量较小的材料,以增强立管的抗疲劳性能。管内流体密度和立管壁厚的变化往往局限在一定的范围内,因此对涡激振动疲劳损伤的影响没有上述几个参数明显。 (3)有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th在不同的应力比下应当视为变量。在应力比小于临界应力比时,ΔK eff,th随应力比的增加而增加;在应力比大于临界应力比时,ΔK eff,th随应力比的增加而减小。ΔK eff,th和应力比R之间的函数关系近似服从Lorentz分布。 (4)本文提出的改进McEvily模型能有效考虑载荷比效应,并能正确预报经典两级载荷作用下的载荷次序效应,显示出潜在的工程应用价值。 (5)在深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报中,比较研究表明:不考虑载荷比效应预报得到的疲劳裂纹扩展寿命明显高于考虑载荷比效应时的结果,在工程应用中是偏于危险的。因此,在进行深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报时,合理有效地考虑载荷比效应是非常重要的。


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