海洋平台管节点裂纹损伤边界处理简化方法

论文摘要

在最近的几十年中,随着陆上石油资源的日益枯竭,海洋石油逐渐变成未来石油的主要产地,海洋石油钻井平台得到了迅猛发展。其中的部分海洋平台主要结构是顶部平台和底部浮体两部分组成。而这两部分主要是靠底部立柱和横撑管结构来进行平台连接和支撑。这种管与管相贯的结构承受着总体结构中大部分的应力。由此可见管件在整个平台结构中占有比较重要的地位。在平台的制造过程中,圆管和圆管的连接都是以焊接的形式完成的,并且圆管构件大部分处于水线附近,更易受到腐蚀和风浪载荷的影响。久而久之,在风浪等循环载荷的作用下,管节点处的焊缝就有可能发生塑性变形。当这种塑性变形到达一定的程度,就会在圆管的表面产生裂纹。在这个过程中,虽然整体应力远低于弹性极限,但是由于应力集中,在杂质和缺口处的局部应力也可以超过屈服极限。应此,这就会在很小的范围内发生局部塑性变形。T型管节点处的焊缝是整个海洋平台结构中受集中力比较大的位置,所以最容易产生壁穿裂纹。在实际工程中需要对T型管节点裂纹的扩展情况进行计算,CTOD值是一个很好的反映裂纹扩展的参数。但是对于T型管相贯这种结构的管节点裂纹CTOD值的计算过于复杂,所以我们要找到在什么情况下,可以用裂纹截面刚性固定管的裂纹CTOD值计算来代替T型管CTOD值,进而对平台的安全性进行估算。本文采用有限元法来研究裂纹的钝化过程,在有限元分析软件ABAQUS中进行裂纹尖端钝化过程的模拟,然后对不同边界条件下裂纹管件CTOD值进行对比。第一章阐述了本课题研究的必要性和研究的主要内容。第二章主要介绍了T型管裂纹扩展的原理和CTOD相关理论。第三章对ABAQUS裂纹钝化建模的合理性进行论证,通过一系列平板模型CTOD值与利用Dugdale方法算出的解析解相对比,得出使用有限元仿真软件模拟裂纹钝化及扩展过程的是可能而且适用的。第四章对刚性固定管节点和T型管节点裂纹裂纹尖端应力分布和周围应力的情况进行了比较,讨论了应力分布对裂纹CTOD的影响。第五章对T型管节点在不同边界条件下的CTOD值与平板管节点值的对比。最终通过一系列的对比和规律总结,得出管节点裂纹损伤边界处理方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 裂纹CTOD 值的数值模拟国内外研究现状
• 1.3 有关裂纹模拟分析软件简介
• 1.4 论文目的和主要内容
• 2 裂纹尖端模型的理论分析
• 2.1 T 型管裂纹的裂纹扩展与基本裂纹模型扩展的关系
• 2.2 选择CTOD 的必要性分析
• 2.3 CTOD 理论
• 2.4 裂纹CTOD 解析解
• 2.5 本章小结
• 3 T 型裂纹CTOD 模型计算的相关分析
• 3.1 裂纹钝化的理论分析
• 3.2 裂尖单元建模过程分析
• 3.3 模型材料的选取
• 3.4 ABAQUS 对CTOD 值模拟正确性的分析
• 3.5 本章小结
• 4 海洋平台管节点简化方法的研究
• 4.1 T 型管节点壁穿裂纹的产生的原因
• 4.2 T 型管裂纹模型的建模分析
• 4.3 裂纹尖端塑性区应力分布以及对CTOD 的影响
• 4.4 本章小结
• 5 不同边界条件对T 型管节点壁穿裂纹CTOD 的影响
• 5.1 边界简化方法的工程应用介绍
• 5.2 不同边界条件下的T 型管与刚性固定管的对比
• 5.3 壁穿裂纹管节点简化断裂分析方法
• 5.4 本章小结
• 6 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 I 攻读学位期间发表的论文目录