海洋平台防爆墙的分析与设计

论文摘要

爆炸是平台上部结构可靠性设计需要考虑的因素,它们属于低概率事件,但可能会带来很严重的后果。当碳氢化合物气体泄露出来,与空气、水蒸气混合达到一定程度时形成爆炸混合物,遇明火点燃后就会产生爆炸。在一般的海洋平台上部结构中,防爆墙越来越多地被用来提供平台作业人员及重要设备的安全保障。本文主要针对不锈钢防爆墙的设计与分析进行了研究,其主要内容包括:1)对模型近似方法进行研究,介绍了等效单自由度系统,用来模拟结构的响应。在研究中用一个梁模型来表示槽型板架,考虑了板架中部位移与内在分布载荷之间的关系。2)介绍了由Fire and Blast Information Group提出的防爆墙设计规范Technical Note 5,并根据该规范给出了防爆墙设计程序图表,最后根据该规范提供了一个防爆墙设计案例。3)使用有限元软件ABAQUS/Explicit对防爆墙槽型板架进行非线性分析研究,根据TN5考虑了三个不同剖面深度的槽型板架,令其承受动态载荷,比较根据规范TN5和非线性有限元方法计算得出的结果。并且比较不同不锈钢材料和不同载荷类型下的防爆墙的结构响应。选择一定的设计载荷峰值和载荷持续时间以观察防爆墙弹塑性响应结果,对应变率效应进行了简单的研究,最后调查研究网格划分密度及载荷对位移峰值、塑性应变和耗散能量的影响。4)运用有限元软件Ansys10.0建立起比较完整的张力腿平台上部结构模型,并加入用板单元组成的防爆墙板架来承受爆炸载荷。详细陈述平台中防爆墙的设计、分析方法、模型建立和载荷变化情况,得出分析结果。这里采用等效非线性静态分析手段,加入动载荷系数以考虑爆炸载荷的动态特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 承受爆炸载荷的结构响应理论方法研究概况
• 1.2.2 承受爆炸载荷的结构有限元分析概述
• 1.2.3 防爆墙设计方法简介
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 爆炸载荷作用下的防爆墙动态响应理论
• 2.1 概述
• 2.2 单自由度方法（SDOF）介绍
• 2.2.1 模型方程
• 2.2.2 基本假设
• 2.2.3 结构变形基本过程
• 2.3 从槽形墙模型向等效SDOF系统的转化
• 2.3.1 模型转化说明
• 2.3.2 对刚塑性结果的修正
• 2.4 本章小结
• 第3章 防爆墙规范设计方法
• 3.1 概述
• 3.2 设计标准和极限状态
• 3.3 不锈钢特性
• 3.3.1 材料特性
• 3.3.2 力学特性
• 3.3.3 制造商强度数据的使用
• 3.3.4 应变率对力学性能影响
• 3.3.5 设计中的材料加强强度确定
• 3.4 爆炸载荷的特性和结构响应
• 3.4.1 爆炸载荷
• 3.4.2 爆炸载荷下的结构响应描述
• 3.4.3 单自由度方法的应用
• 3.5 墙剖面形状与几何特性
• 3.5.1 剖面形状
• 3.5.2 剖面几何特性
• 3.6 横剖面分类和有效剖面特性
• 3.6.1 概述
• 3.6.2 剖面分类
• 3.6.3 无加强构件板单元的有效宽度
• 3.7 抵抗纵向弯曲的剖面设计
• 3.7.1 总纵阻抗弯矩
• 3.7.2 有效跨度
• 3.7.3 防爆墙阻抗力
• 3.7.4 DLF和最大跨中挠度
• 3.7.5 防爆墙的抗剪强度
• 3.8 剖面上的横向载荷
• 3.8.1 载荷造成的剖面弯曲
• 3.8.2 局部载荷引起的弯矩和应力
• 3.8.3 局部载荷作用下的强度规范校核
• 3.8.4 局部载荷作用下抗屈曲能力
• 3.9 实例计算
• 3.9.1 防爆墙基本设计流程
• 3.9.2 防爆墙基本数据
• 3.9.3 几何特性
• 3.9.4 材料特性
• 3.9.5 横剖面分类及有效剖面特性
• 3.9.6 总纵阻抗弯矩
• 3.9.7 局部效应
• 3.10 本章小结
• 第4章 防爆墙结构非线性响应分析
• 4.1 概述
• 4.2 有限元模型的几点说明
• 4.2.1 槽型梁数目的确定
• 4.2.2 单元的选取
• 4.2.3 网格密度说明
• 4.2.4 塑性的定义
• 4.2.5 本构模型的定义
• 4.2.6 边界条件说明
• 4.3 模型示意图及尺寸数据
• 4.4 三种不同剖面模型的简单比较
• 4.5 规范计算与有限元分析结果比较
• 4.6 钢材等级不同对防爆墙性能的影响
• 4.7 不同载荷类型对结构响应的影响
• 4.8 应变率效应研究
• 4.8.1 应变率构造关系和动态系数
• 4.8.2 材料常数对应变率效应的影响
• 4.9 响应参数的评估
• 4.9.1 响应参数
• 4.9.2 载荷持续时间一定时各参数对结构响应的影响
• 4.9.3 载荷峰值一定时各参数对结构响应的影响
• 4.10 本章小结
• 第5章 张力腿平台防爆墙爆炸仿真分析
• 5.1 概述
• 5.2 平台结构的有限元建模
• 5.2.1 平台上部结构资料
• 5.2.2 坐标系及单元类型
• 5.3 防爆墙有限元模型的建立
• 5.3.1 防爆墙位置及结构尺寸
• 5.3.2 防爆墙板架的材料属性
• 5.4 动载荷施加与边界条件的确定
• 5.5 动载荷向静载荷的转化
• 5.6 计算结果分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录