抗冰导管架平台疲劳可靠性优化

疲劳破坏是海洋工程结构的一种主要破坏形式。对于渤海有冰边际油田,需要在满足冰激疲劳要求的同时考虑平台成本。该文建立了抗冰导管架疲劳可靠性优化模型,利用虚拟激励法并结合兼顾整体和局部的混合有限元模型,实现了复杂管节点冰激疲劳的快速高效分析,并利用对数正态格式计算冰激节点疲劳可靠性。渤海JZ20-2NW平台算例分析表明,通过优化设计可以在满足节点疲劳可靠性要求的同时降低结构重量,可以为冰区海洋平台设计提供参考。     

海冰力测量的标定方法

海冰力是渤海海洋平台设计的主要控制荷载之一。为了测量渤海海冰对平台的作用力，我们采用三种不同参数的测量方法；即力、应变和加速度测量。为了检验测量系统的可靠性，取得良好的测量结果。在海冰到来之前用拖船给平台导管架施加一系列确定的外力，从而对各测量系统进行了现场标定。本文介绍了标定方法及其结果。     

导管架平台的振动响应统计分析

海洋结构物动力特性的研究对于海洋结构物的疲劳寿命估算和疲劳损伤预测具有重要的意义.我们建立了简易导管架平台模型,对随机波激励下平台的频域振动响应进行了分析.利用莫里森方程在惯性体系下对双甲板导管架平台的载荷以及振动位移响应进行了推导计算.采用有义波高分别为15m、20m、25m的Pierson-Moskowitz(P-M)波高谱对其进行研究.结果表明,在相同频率下,有义波高大的波浪对导管架平台响应的影响更大.在得到振动位移响应谱后对每个几何坐标下位移的方差以及振动位移响应的极值进行了计算与探讨.     

深水港码头轻型导管架结构在船舶撞击下的疲劳分析

结合大连新港新建30万吨级(兼靠45万吨)进口原油码头工程,研究离岸深水港码头轻型导管架结构在系泊船舶撞击下的疲劳损伤。采用通用有限元程序ANSYS计算船舶撞击作用下导管架平台的动力反应,得到结构构件的名义应力,乘以相应的应力集中系数,得到管节点热点应力的时程曲线。分别应用美国石油学会(API)规范、挪威船级社(DNV)规范和中国船级社(ZC)规范中相应的S-N曲线对船舶撞击作用下的疲劳损伤进行了计算。计算结果表明,对应用于离岸深水港码头的导管架结构,由船舶撞击平台所引起的疲劳损伤较大,不能忽略,若只考虑波浪荷载引起的疲劳损伤会导致过高地估计结构的疲劳寿命。结果还表明,按API规范与ZC规范计算得到的疲劳损伤基本一致,按DNV规范计算得到的疲劳损伤较其他两种规范偏大。     

海冰与直立结构相互作用的离散单元数值模拟

在冰区油气开发中,海冰会导致海洋结构的强烈振动,并对结构累积疲劳损伤、上部油气管线和设备,以及操作人员健康构成很大的威胁。在海冰与直立海洋结构的相互作用中,冰荷载的幅值和频率一直是海冰工程研究的重要内容。该文针对海冰与直立海洋结构作用中的破碎过程,建立了海冰的离散单元模型。它将海冰离散为若干个规则排列且具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰单轴压缩试验对单元间的粘接强度进行确定;在此基础上对直立海洋平台结构的作用过程进行了数值计算,获得了不同桩径下的冰荷载和结构冰振响应,为冰区平台结构设计和现役海洋结构的疲劳寿命评估提供了参考依据。     

基于Copula函数的风浪多方向极限状态曲线

针对基于Rosenblatt变换极限状态曲线构造困难的现状,引入Copula函数提出了二维随机环境变量极限状态曲线构造的改进方法。该方法将随机环境变量的条件分布函数及其逆函数的求解转化为条件Copula函数及其逆函数的求解,提高了极限状态曲线构造的可行性。结合风浪同步观测数据研究了风浪多方向极限状态曲线,并在此基础上估计了某导管架平台的基底剪力极限荷载效应及对应的平均风速和有效波高取值。结果表明:各方向的风浪极限状态曲线呈现较大的差异,而全方向的极限状态曲线处于各条曲线的中间位置;各方向导管架平台的基底剪力极限荷载效应及对应的平均风速和有效波高取值差异较大,根据实测数据分方向进行风浪极限状态曲线的构造和结构极限荷载效应的估计可得到更加精确的结果。     

钢筋混凝土吊车梁的混凝土疲劳概率分析

本文基于吊车荷载随机数学模型和混凝土的疲劳试验结果,进行了钢筋混凝土吊车梁混凝土的疲劳累积损伤概率分析,提出了钢筋混凝土吊车梁的混凝土疲劳可靠性分析和疲劳寿命估计方法。     

考虑摩擦非线性应力的脐带缆疲劳寿命精确分析研究

针对深水动态钢管脐带缆在波浪荷载以及平台运动作用下引起的疲劳问题,考虑缆体自重导致的平均应力对关键构件钢管疲劳损伤影响,构建疲劳分析模型进行疲劳寿命预估。同时,依据螺旋缠绕结构特征考虑构件间相互接触摩擦非线性效应给出了脐带缆基本力学行为的应力求解方法。以我国南海某1 500 m水深的动态脐带缆为例进行分析,结果表明:只考虑无滑动时的局部应力得到的疲劳寿命过分偏于保守,而只采用全滑动时的局部应力得到的疲劳寿命则偏大很多。在疲劳寿命预估模型中考虑非线性局部应力作为输入可以得到更为准确的寿命估计。     

调谐液体阻尼器在冰区导管架平台上应用的初步研究

冰区导管架平台在漂移冰排的撞击下，常发生剧烈的共振现象。在寻求该问题的对策中，本文对矩形调谐液体阻尼器（ＴＬＤ）的减振原理作了分析，得出当外激励、结构、ＴＬＤ水箱内液体的自由表面三者的动力特性满足一定的关系时ＴＬＤ内液体提供的晃动力与外激励可以保持反相位。显然，这种晃动力对由外激励诱发的结构振动起抑制或消减作用。根据晃动力与外力反相位条件的要求，进行了渤海一导管架平台（ＪＺ２０—２ＭＵＱ）ＴＬＤ水箱设计。按照设计情况，对该平台安装ＴＬＤ的减振效果进行缩尺模型实验。实验证实ＴＬＤ系统具有良好的减振效果。     

基于GPU并行的锥体导管架平台结构冰激振动DEM-FEM耦合分析

该文为分析海冰与锥体海洋平台的相互作用,采用离散元（DEM）-有限元（FEM）耦合方法建立冰激海洋平台结构的耦合模型。通过具有粘结-破碎性能的球体离散单元对海冰的漂移及破碎现象进行计算,海洋平台锥体部分采用平板型壳单元构造,其整体构架及锥体内部的加劲肋采用梁单元构造,即建立壳单元与梁单元组合的锥体海洋平台有限元模型。为提高DEM-FEM耦合算法的计算规模和效率,发展了离散单元与平板型壳单元接触算法及GPU并行环境下参数传递算法。基于此耦合模型分别讨论了平台结构的冰载荷、冰激振动以及锥体应力分布,并与相关实测数据进行对比,为寒区锥体海洋平台的结构设计提供有益的参考。     

Mitigating ice-induced jacket platform vibrations utilizing a TMD system

Field observations conducted on oil platforms in the Bohai Sea revealed that the offshore jacket structures, which can withstand the maximum static ice force, might suffer from severe vibrations when ice sheets pass through the legs of the structure. It has been proved that, when the natural frequency of narrow or flexible structures is close to or coincides with the predominant frequency of cyclical ice forces, severe ice-induced vibrations will be evoked. Excessive and consistent vibration will cause the discomfort of working crew, failure of deck facilities even structural fatigue failure. Therefore, it is imperative to seek economical ways to reduce the vibrations to an acceptable level. Based on full-scale tests and technical feasibility, the strategies of vibration mitigation are investigated and compared in this paper. The primary studies demonstrate that adding a Tuned Mass Damper (TMD, also called a Dynamic Vibration Absorber, DVA) is a feasible and practical approach to reduce vibrations. The efficiency of optimally designed TMD and one-directional conceptual TMD device has been presented in this study. Field ice load time history was used as loading scenario to assess the performance of TMD system. The results show that the supplemental device can favorably reduce the dynamic response of platform.     

Structure-rubble field interaction

Analytical aspects of interaction between an unconsolidated or poorly consolidated rubble field and a conical-type, massive, ice-resistant, bottom-founded offshore structure are presented in the paper. This matter is a substantial part of an analysis of global ice loading imposed on an offshore structure in the transition zone of the Arctic Seas. The paper contains analytical formulation of the problem and relevant analytical results which describe the geometrical aspects of the ice-structure interaction along with the global ice load which can be imposed on the structure. The results can be generalized and used for structures with arbitrary cone angles up to 90°. All results are presented in tabulated and graphical forms convenient for practical engineering applications.     

Numerical simulation of local ice loads in uniform and randomly varying ice conditions

The ice loading process has a clear stochastic nature due to variations in the ice conditions and in the icebreaking processes of ships. The statistical characteristics of local ice loads are typically studied on the basis of field measurements. In this paper, a numerical method was applied to simulate a ship moving forward in either uniform or randomly varying ice conditions, where the thickness and strength properties of the ice encountered by the ship were assumed to be constant or randomly generated using the Monte Carlo method. The purpose of this simulation is to show the origin of the statistical variation in ice loading, which is difficult to identify in field measurements. To validate the numerical results, an icebreaking tanker, MT Uikku, was then modeled in a simulation program, the ice loading process was stochastically reproduced and the calculated amplitude values of the ice-induced frame loads were compared with the field measurements.     

冰激桥墩振动室内模型试验研究

鉴于模型试验是研究冰激结构振动特点和机理的一种非常有效的方法和手段,本文以某桥墩为背景,通过一修正的动冰力模型试验相似律设计了一桥墩模型,应用DUT-1模型冰,模拟了不同冰速下冰-桥墩动力相互作用过程,并实测了冰力和桥墩各测点处的响应。进而得到了一些有价值的试验现象和试验结果,这将为寒冷区域实际冰工程的建设提供一定的借鉴意义,同时可为冰激结构振动的发展提供探索性的意义,也能够在一定程度上完善室内冰激振动模型试验。     

海冰作用下平台结构自激振动的参数分析与响应的数值计算

本文依据Ｍａａｔｔａｎｅｎ的自激冰力模型,分析了冰和结构的各种参数对海冰作用下平台结构自激振动的影响;对不同动力特性的导管架平台结构简化模型,进行了海冰作用下结构自激振动响应的数值计算,发现了自激冰力和结构振动的一些特征,为进一步理解冰致平台结构自激振动现象,避免自激振动的产生及采取相应的控制措施提供了有益的结果。     

海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究

以FrancisBiolley改进的vanderPol尾流振子模型为基础,考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立了海洋立管涡激振动微分方程,用Hermit插值函数对立管微分方程进行离散,并用Miner理论对立管的疲劳寿命进行分析,通过编程和实例计算,分析了管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。结果表明,当管内流体流速变化使立管的固有频率接近漩涡脱落频率时,立管涡激振动响应将会增大,疲劳寿命将会显著减少。     

基于原型测量的极地航行船舶船体冰载荷分析

船体与海冰碰撞引起的冰载荷一直是破冰船领域研究的重点。根据S.A.AgulhasⅡ号极地科考补给船在南极海域的原型测量数据,利用影响系数矩阵法和反演法对船体艉肩部的冰载荷进行分析。通过肋骨上不同应变传感器测得的剪应变,在MATLAB中利用系数矩阵转换,得到了不同肋骨上的冰载荷。通过建立艉肩部有限元模型,采用两种不同的离散方式对载荷区域进行离散,并利用Tikhonov正则化求解反演方程,得到外板的冰载荷分布。克服了数据处理过程中解的不适定性,使得两种方法得到的计算结果也极为相近。     

Fatigue life prediction of motor-generator rotor for pumped-storage plant

To predict the fatigue life of motor-generator rotor in a pumped-storage plant, the most dangerous position of the rotor under the highest applied load was found to be at the dovetail of magnetic pole and yoke after failure analysis and stress condition analysis. In this work, two types of steel sheets used to manufacture those parts were chosen to study the microstructures and mechanical properties, especially the fatigue properties. Based on those results, some methods including widely applied Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) method and modified one were used to predict fatigue life of the key parts. Considering possible influencing factors, based on the fatigue theories or methods to modify mean stress and predict fatigue life, a novel method, named key part life (KPL) method, was proposed briefly. The KPL method not only suits well for the motor-generator rotor, but also provides a new idea for life prediction of parts in engineering field.