大型FPSO船舶结构疲劳寿命预报方法研究

论文摘要

浮式生产储油卸油轮(FPSO)是具有油船外形的近海结构物,与普通的油船相比,FPSO将承受更为严峻的载荷条件,因而其船体结构要具有特殊的疲劳耐久度和断裂强度,以确保在作业位置按照生产要求持续工作40年以上直至油田开采结束。根据对受损FPSO损伤情况的调查,开孔及纵骨穿越横框架处的连接节点等结构都是易于产生疲劳损伤的部位,因而有必要在有限元数值计算的基础上对结构形式进行符合实际建造条件的改进。FPSO的装卸载比油船更为频繁,因而装卸载对船体造成的低周疲劳损伤也不容忽视。由于结构节点在设计上的不合理或生产建造、监督管理等环节的漏洞,或是遭遇台风等恶劣海况,在FPSO船体结构上将会产生裂纹。在焊趾处裂纹萌生的初期,通过对裂纹进行打磨的方法进行修理,可以达到延长结构疲劳寿命的目的。目前国际国内对FPSO疲劳强度的研究工作主要集中在如何预防裂纹的产生上,对于产生裂纹后的结构进行的研究则较少。本文作为“大型船舶结构的超规范研究”的后续研究,主要研究工作有如下几个方面:(1)对国内外船舶结构疲劳强度的研究方法、低周疲劳强度的研究进展以及FPSO疲劳强度的研究情况进行了综述。(2)对某散货船和某入坞维修FPSO部分舱段的损伤情况进行了实船调查,对采集的数据进行了分析。(3)基于对FPSO开孔疲劳损伤调查的结果,采用考虑焊缝的体单元模型,对开孔处的应力集中系数进行了三维有限元数值计算,参照船厂的实际建造情况,提出了较目前规范更便于建造的结构形式并给出了相应的应力集中系数计算参考值。(4)基于对老龄船舶纵骨穿越横框架处疲劳损伤情况的调查,参考JTP规范中建议的节点连接形式,采用考虑焊缝的体单元模型,对FPSO舷侧水线位置纵骨穿越横框架节点的应力集中系数进行了三维有限元数值计算,给出当计算疲劳寿命不满足设计要求时对结构可能采取的改进形式。(5)分析了低周疲劳对FPSO船体结构疲劳寿命的影响,以某FPSO船体结构中纵骨穿越横框架连接节点为研究对象,采用考虑低周疲劳修正的疲劳校核方法进行了疲劳寿命的计算。(6)提出了对FPSO船体结构中具有一定板厚的含裂纹T型焊接连接节点进行打磨消除裂纹的修理方法。在拉弯载荷工况下对不同的T型节点裂纹修理切口形式进行了简化的二维有限元数值计算,得到相应的应力集中系数,并将应力集中系数较小的切口形式应用到采用体单元的三维有限元数值计算中,分析了板厚和修理切口长度对T型节点应力集中系数的影响。(7)考虑在含修理切口的T型节点切口底部再次出现表面裂纹的情况,建立含表面裂纹的有限元模型,采用线弹性断裂力学的方法,对拉弯载荷工况下不同尺度的表面裂纹最深处及端部的应力强度因子进行了系列有限元数值计算,并根据计算结果回归得出适用于含修理切口T型节点切口底部萌生的表面裂纹的应力强度因子经验计算公式。(8)对T型节点焊趾处的裂纹修理进行了试验研究,验证了采取打磨消除裂纹延长结构疲劳寿命的可行性,将试件断口上预制裂纹及其扩展的观察结果与计算值进行了比较,检验了经验公式的工程适用性。通过本文的研究得出的主要结论如下:(1)采用考虑焊缝的体单元模型,对开孔及纵骨穿越横框架连接节点处的应力集中系数进行有限元数值计算,能够更好的模拟实际结构。在船厂目前所具备的建造条件下,将环绕开孔的加强形式改为Type G型,既便于施工,又能有效降低开孔处的应力集中;扶强材、防倾肘板和背肘板的趾端设置成软趾的形式有利于降低应力集中,而采用背肘板的结构由于横框架间纵骨跨距的减小,应力集中的降低较为明显。(2)装卸载产生的低周疲劳损伤在FPSO的疲劳强度计算中占有较为重要的作用,综合考虑高、低周疲劳损伤进行计算的结果显示,考虑低周损伤后,结构节点的疲劳寿命由原来的92年下降到60年,这能够对不满足设计寿命的FPSO的损伤情况进行解释。(3)对FPSO船体结构中具有一定板厚的含焊趾处表面裂纹T型焊接节点进行裂纹打磨消除后,焊趾处将产生一定形状的表面缺陷。对拉弯载荷工况下含修理切口(表面缺陷)T型焊接节点的应力集中系数进行简化的二维有限元数值计算以及采用体单元的三维有限元数值计算表明:在修理切口表面半宽大于深度时,采用椭圆型的切口形式产生的应力集中系数将小于U型切口形式;不考虑焊趾的影响、减小母板板厚以及增加修理切口的长度都将增大焊趾处表面缺陷的应力集中系数;采用平板表面缺陷来代替焊趾处表面缺陷的简化方法偏于安全。(4)采用线弹性断裂力学的方法,对含修理切口的T型节点切口底部的表面裂纹最深处及端部,在拉伸、弯曲载荷工况下的应力强度因子进行了有限元数值计算,并根据计算结果回归得出适用于含修理切口T型节点切口底部萌生的表面裂纹的应力强度因子经验计算公式。(5)对FPSO典型焊接节点进行的短期修理试验表明,即便在焊趾处的萌生裂纹已扩展到一定程度,采取沿焊趾方向贯穿板厚的切口对裂纹进行打磨消除,仍可以有效地延长结构的疲劳寿命;并通过对断面的观察,检验了基于线弹性方法得出的含修理切口T型节点切口底部表面裂纹的应力强度因子经验公式的工程适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 立题背景及课题意义
• 1.2 FPSO 疲劳强度的研究进展
• 1.2.1 船舶结构疲劳强度研究进展概述
• 1.2.2 低周疲劳强度研究进展概述
• 1.2.3 FPSO 疲劳强度研究进展概述
• 1.2.4 船舶结构疲劳分析中的有限元方法介绍
• 1.3 船舶裂纹修理概述
• 1.4 本文主要工作及创新点
• 第二章 基于损伤统计的典型节点应力集中系数计算及设计改进
• 2.1 引言
• 2.2 减轻孔应力集中系数计算
• 2.2.1 FPSO 减轻孔损伤情况研究
• 2.2.2 减轻孔有限元模型
• 2.2.3 减轻孔应力集中系数数值计算结果
• 2.2.4 扶强材对降低结构应力集中的影响
• 2.3 纵骨穿越横框架处典型节点应力集中系数计算
• 2.3.1 纵骨穿越横框架连接节点损伤情况调查
• 2.3.2 国内外纵骨穿越横框架连接节点疲劳强度研究情况
• 2.3.3 不同结构形式连接节点应力集中系数的计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 低周疲劳分析方法在 FPSO 上的应用
• 3.1 引言
• 3.2 FPSO 船体结构低周疲劳估算方法研究
• 3.3 FPSO 船体结构低周疲劳寿命的估算
• 3.3.1 校核位置的选取
• 3.3.2 低周疲劳应力计算
• 3.3.3 考虑低周疲劳损伤的FPSO 疲劳寿命
• 3.4 打磨与熔修对低周疲劳影响的讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 拉弯载荷下焊趾处修理切口的应力集中系数
• 4.1 引言
• 4.2 拉弯载荷下二维模型应力集中系数的研究
• 4.2.1 单元收敛性分析
• 4.2.2 拉伸载荷下二维修理切口的应力集中系数
• 4.2.3 弯曲载荷下二维修理切口的应力集中系数
• 4.3 拉弯载荷下三维模型应力集中系数的计算
• 4.3.1 单元收敛性分析
• 4.3.2 焊趾处的表面缺陷应力集中系数
• 4.3.3 表面缺陷长度对焊趾处表面缺陷应力集中系数的影响
• 4.3.4 平板表面缺陷的应力集中系数
• 4.3.5 板厚对焊趾处表面缺陷应力集中系数的影响
• 4.4 修理切口在船舶结构上的应用
• 4.5 本章小结
• 第五章 修理切口底部表面裂纹应力强度因子计算
• 5.1 引言
• 5.2 含修理切口T 型节点切口底部表面裂纹的有限元模型
• 5.2.1 有限元分析软件介绍
• 5.2.2 有限元模型
• 5.3 拉伸载荷作用下含切口T 型节点表面裂纹应力强度因子计算
• 5.3.1 载况的设定
• 5.3.2 表面裂纹应力强度因子的有限元计算
• 5.3.2.1 U 型切口底部表面裂纹最深处应力强度因子的计算
• 5.3.2.2 U 型切口底部表面裂纹端部应力强度因子的计算
• 5.3.2.3 椭圆型切口底部表面裂纹最深处应力强度因子的计算
• 5.3.2.4 椭圆型切口底部表面裂纹端部应力强度因子的计算
• 5.4 弯曲载荷作用下含切口T 型节点表面裂纹应力强度因子计算
• 5.4.1 载况的设定
• 5.4.2 表面裂纹应力强度因子的有限元计算
• 5.4.2.1 U 型切口底部表面裂纹最深处应力强度因子的计算
• 5.4.2.2 U 型切口底部表面裂纹端部应力强度因子的计算
• 5.4.2.3 椭圆型切口底部表面裂纹最深处应力强度因子的计算
• 5.4.2.4 椭圆型切口底部表面裂纹端部应力强度因子的计算
• 5.4.2.5 厚度对应力强度因子影响的讨论
• 5.5 拉弯组合载况下的计算公式
• 5.6 本章小结
• 第六章 FPSO 含裂纹焊接结构短期修理的试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 国外相关研究内容
• 6.3 含裂纹焊接结构短期修理的试验研究
• 6.3.1 试验模型
• 6.3.2 试验系统
• 6.3.3 试验过程及结果分析
• 6.4 数值计算结果与试验结果的比较
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 含修理切口 T 型节点切口底部表面裂纹参数化建模命令流
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况