挖泥船定位桩系统在波浪载荷作用下的疲劳强度分析

论文摘要

随着当今航运事业的快速发展,国内深水港建设日益增多,挖泥船的工作环境也随之深水化。目前国内挖泥船大多都使用定位桩系统作业,工作环境的日渐恶劣和挖深的增加使得定位桩在工作条件下受到的风浪载荷明显加大,施工中出现的断桩、跑桩问题很突出,这些都与波浪载荷有关。当前国内设计单位对挖泥船桩腿的强度分析多还停留在常规的将波浪载荷简化为静水力的计算,而对于波浪动态载荷对挖泥船桩腿影响的研究目前还少有人涉及。本文主要研究波浪交变载荷对挖泥船定位桩疲劳强度的影响。首先从波浪理论和船体运动公式出发,求解出不同波浪频率下挖泥船工作时定位桩受到的波浪交变力,利用相关有限元分析软件建立定位桩的有限元模型,将不同频率的波浪交变载荷以表载荷的形式加载到结构上,进行瞬态动力分析,得出每个频率下的应力幅值,产生相应的应力传递函数,进而选取典型海况并运用谱分析方法进行线性系统变换,计算得出应力谱的相关参数,最后用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对桩腿强度进行疲劳分析。依据上述方法,以2000绞吸式挖泥船为实例,依据二维切片理论,用保角变换法求得运动公式中的水动力系数。选取了0.5L4L之间的11个频率,分别计算了100%满载工况和10%装载工况下的波浪载荷,采用ANSYS有限元软件对结构进行瞬态动力分析,并依据渤海B1海域的波浪分布,选取了15个典型海况,由波浪P-M谱计算得到相应的应力谱,最终根据疲劳相关理论求得桩腿与卡箍连接处的局部挤压的疲劳损伤。数据结果显示,波浪交变载荷对挖泥船的疲劳有一定影响。本文提出的挖泥船桩腿在波浪交变载荷作用下疲劳分析的方法,符合实际的工程背景,对以后施工中可能遇到的疲劳问题具有一定的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的工程背景及意义
• 1.2 波浪载荷和波浪切片理论介绍
• 1.2.1 船舶运动理论和波浪载荷
• 1.2.2 切片理论介绍
• 1.3 疲劳评估方法介绍
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 挖泥船桩腿受到的波浪载荷求解
• 2.1 波浪理论
• 2.2 船体升沉运动的受力分析
• 2.2.1 坐标系的选取
• 2.2.2 船舶摇荡运动方程的建立
• 2.2.3 受力分析
• 2.2.4 附加质量和阻尼系数
• 2.3 运动方程的建立
• 第三章 波浪载荷对桩腿强度的疲劳计算理论
• 3.1 疲劳问题的基本理论
• 3.1.1 疲劳载荷
• 3.1.2 疲劳寿命评估
• 3.2 波浪的统计特性
• 3.3 线性系统变换
• 3.4 ANSYS瞬态动力分析
• 第四章 绞吸式挖泥船受波浪载荷的疲劳计算实例
• 4.1 挖泥船母型船资料
• 4.2 本文模型简化
• 4.3 波浪载荷的计算
• 4.3.1 附加质量和阻尼系数
• 4.3.2 MATLAB编程求解两工况的波浪载荷
• 4.3.2.1 工况一满载100%油水
• 4.3.2.2 工况二装载10%油水
• 4.3.3 定位状态与自由状态下升沉位移的比较
• 4.4 定位桩建模实例
• 4.4.1 本文建模原理
• 4.4.2 定位桩建模数据
• 4.5 定位桩受波浪弯矩的疲劳计算分析
• 4.5.1 应力传递函数
• 4.5.2 波浪谱
• 4.5.3 应力谱
• 4.5.4 基于S-N曲线法的疲劳寿命计算
• 4.5.5 结论
• 第五章 结果分析
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢