船舶与海洋平台碰撞响应与结构损伤分析

论文摘要

近些年来,海洋资源开发已成必然趋势。海洋平台作为海洋油气资源开发的基础性设施,长期在海上工作,且工作环境十分恶劣,不可避免会遇到各类碰撞问题,船舶与海洋平台的碰撞造成的破坏往往是灾难性的。为了减少人员和经济损伤,保护海洋环境研究和提高海洋平台的耐撞性能都具有重要的意义。船舶与海洋平台的碰撞是海洋平台结构在很短时间内在巨大冲击载荷作用下的一种复杂的非线性动态响应过程。在碰撞过程中还包含很多不确定因素,如碰撞的速度、角度、被撞结构和撞击船的状况等。本文将通过在对显式非线性有限元求解技术的理解,研究适合于船舶与海洋平台碰撞分析的数值仿真方法,并对船体结构的碰撞损伤特性和能量吸收机制进行一系列研究。本文的主要研究工作包括以下几个方面：1.总结目前船舶与海洋平台碰撞的研究现状和主要分析方法；讨论船舶与海洋平台碰撞外部动力学解析方法,并对其局限性进行探讨；2.阐述数值仿真中所涉及的非线性有限元基本理论及在船舶海洋平台中的应用；3.研究两端固支薄壁钢管在侧向撞击荷载作用下的失效模式,损伤变形特征和吸能特性；深入分析几何尺寸,碰撞角度和初始轴向压力对钢管构件耐撞性能的影响；4.对导管架平台的碰撞响应和结构损伤进行研究；讨论不同的碰撞初速度下被撞平台结构的动力响应；5.对自升式平台的碰撞响应和结构损伤进行研究；讨论结构的损伤特性和吸能方式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 海洋结构物碰撞问题的研究方法
• 1.2.1 试验法
• 1.2.2 解析法
• 1.2.3 有限元数值仿真法
• 1.3 船舶与海洋结构物碰撞问题的研究现状
• 1.3.1 船-船碰撞问题研究现状
• 1.3.2 船舶-海洋平台碰撞问题研究现状
• 1.4 本文主要内容
• 1.5 本文的创新点
• 第2章 船舶与海洋平台碰撞方法研究
• 2.1 概述
• 2.2 船舶与海洋平台碰撞解析方法
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 撞击船体的运动加速度
• 2.2.3 碰撞时的受力
• 2.2.4 碰撞时的冲量
• 2.2.5 碰撞结束时船体运动速度
• 2.2.6 碰撞结束后的能量分布
• 2.3 关于解析方法局限性的讨论
• 2.3.1 运动形式的简化
• 2.3.2 碰撞过程不能描述
• 2.4 非线性有限元法
• 2.4.1 非线性有限元控制方程
• 2.4.2 显式有限元求解方法
• 2.4.3 碰撞仿真中的接触和摩擦问题
• 2.4.4 碰撞仿真中的材料模型
• 2.4.5 材料模型的失效准则
• 2.5 小结
• 第3章 海洋平台中典型圆管构件的碰撞损伤
• 3.1 概述
• 3.2 平台圆管构件的解析方法研究
• 3.2.1 准静态分析方法
• 3.2.2 受侧向载荷圆管局部凹陷变形
• 3.2.3 受撞圆管的主要失效模式
• 3.3 圆管构件碰撞的数值仿真计算
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 有限元计算结果分析
• 3.4 仿真计算结果和经验公式的比较分析
• 3.5 撞击参数对圆管损伤特性的影响
• 3.5.1 几何尺寸的影响
• 3.5.2 碰撞角度的影响
• 3.5.3 轴向预压载荷的影响
• 3.6 小结
• 第4章 导管架平台碰撞损伤特性研究
• 4.1 概述
• 4.2 碰撞力学模型
• 4.3 碰撞事故模型设计因素
• 4.3.1 船舶尺寸
• 4.3.2 附加质量
• 4.3.3 碰撞速度
• 4.3.4 碰撞区域
• 4.4 导管架平台碰撞模型
• 4.4.1 平台模型
• 4.4.2 供应船模型
• 4.5 数值仿真计算及结果分析
• 4.5.1 平台损伤变形
• 4.5.2 碰撞力
• 4.5.3 碰撞能量
• 4.5.4 甲板位移
• 4.6 不同碰撞速度下平台动力特性分析
• 4.6.1 平台损伤变形
• 4.6.2 碰撞力
• 4.6.3 碰撞能量
• 4.6.4 几种碰撞载荷的比较
• 4.7 小结
• 第5章 自升式平台碰撞损伤特性研究
• 5.1 概述
• 5.2 自升式平台碰撞的特点
• 5.3 自升式平台碰撞模型
• 5.3.1 平台模型
• 5.3.2 供应船模型
• 5.4 数值仿真结果分析
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢