深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法研究

论文摘要

随着油气资源的勘探和开采向深海领域推进,深海立管涡激振动问题逐渐成为工业界和学术界共同关心的热点问题,而考虑涡激振动引起的疲劳损伤是立管设计中必不可少的一个重要环节。本文作为上海市科委专项基金项目“深海单柱式平台关键动力特性的理论与实验研究”（项目编号:05DJ14001）的有机组成部分,主要研究工作有如下几个方面:（1）课题相关研究领域的综述——针对深海立管涡激振动响应预报方法、疲劳累计损伤理论、疲劳裂纹扩展理论以及深海立管涡激振动疲劳寿命预报方法四个方面的国内外研究进展进行综述,介绍目前解决这些问题的已有方法、发展过程及应用情况。（2）深海立管涡激振动预报方法介绍——介绍了涡激振动的基本概念以及基本参数,并根据流体力确定方式的不同,分别概述了深海立管涡激振动预报的经验模型和CFD模型,并重点介绍了课题组开发的深海立管涡激振动预报模型,为下一步进行深海立管涡激振动疲劳寿命预报提供了理论依据。（3）基于S-N曲线的深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法研究——依据课题组开发的涡激振动响应预报程序得到涡激振动响应,然后假设涡激振动引起的交变应力范围长期分布服从Rayleigh分布,选取适当的疲劳S-N曲线,结合Palmgren-Miner线性累积损伤准则,通过详细的理论推导给出了深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法。此外,通过与实验数据的比较,为工程应用推荐了一种较为合理的预报多模态涡激振动疲劳损伤的方法。（4）深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析——依据（3）中提出的深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法,全面而详细的讨论了立管顶部预张力、管内流体密度、管外流速分布、立管外径、立管壁厚以及立管材料弹性模量对涡激振动疲劳损伤的影响,得到了一些有价值的结论,为立管设计和工程应用提供了参考依据。（5）基于疲劳裂纹扩展理论的McEvily模型——详细推导了具有广阔应用前景的McEvily模型,并在三组疲劳实验数据的基础上,通过非线性最小平方拟合的手段研究了McEvily模型中表征裂纹闭合水平参数的确定方法,为后续考虑载荷比效应的改进McEvily模型的提出作好了铺垫。（6）有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th与应力比R的关系研究——通常认为不同应力比下有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th为定值,本文假定ΔK eff,th是应力比R的函数,从Schmidt and Paris （1973）提出的ΔK eff,th的简化模型、基于裂纹完全闭合模型的ΔK eff,th实验结果以及基于裂纹局部闭合模型的ΔK eff,th实验结果三方面入手深入探讨了ΔK eff,th与应力比R之间的关系,得到了一个全新的结论。（7）改进McEvily模型的提出——虽然McEvily模型已经能够解释试验中观察到的大部分疲劳现象,但是在具体应用中还是遇到了不少困难。作者对McEvily模型进行了两方面的改进:一是将不同金属材料对应的疲劳裂纹扩展率曲线的斜率视为变量,而不再是固定值;二是认为ΔK eff,th和宏观裂纹张开应力强度因子K op,max对于不同的应力比都是变量。并将改进McEvily模型的预报结果与相应实验结果进行比较,验证了改进McEvily模型在解释载荷比效应时的适用性,为后续深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报方法的提出奠定了理论基础。（8）深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报方法研究——由于深海立管涡激振动响应时域预报方法还不成熟,作者通过产生随机数的方法来模拟立管涡激振动时域载荷历程,应用（7）中提出的改进McEvily模型来进行疲劳裂纹扩展寿命预报。同时,也进行了不考虑载荷比效应时的疲劳裂纹扩展寿命预报作为比较,凸显了时域涡激振动疲劳寿命预报时合理考虑载荷比效应的必要性。（9）总结与展望——总结全文工作,同时展望未来该领域研究工作的发展方向。本文创新性的工作主要体现在:多模态涡激振动疲劳损伤预报方法研究、有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th与应力比R关系的研究、考虑载荷比效应的改进McEvily模型的提出以及将疲劳裂纹扩展理论应用到深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报当中。通过分析研究得出的主要结论如下:（1）对于多模态涡激振动响应,取各阶激发模态中疲劳损伤的最大值作为校核点的疲劳损伤与实验结果吻合较好,适合工程应用。（2）顶部预张力、立管外径、弹性模量以及沿立管长度方向的流速分布都对涡激振动疲劳损伤有非常明显的影响。适当增加立管顶部预张力,可以减小涡激振动疲劳损伤。而立管外径较大时,相应的涡激振动疲劳损伤也较大。立管设计中,在其它条件允许的前提下,应尽量选用弹性模量较小的材料,以增强立管的抗疲劳性能。管内流体密度和立管壁厚的变化往往局限在一定的范围内,因此对涡激振动疲劳损伤的影响没有上述几个参数明显。（3）有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th在不同的应力比下应当视为变量。在应力比小于临界应力比时,ΔK eff,th随应力比的增加而增加;在应力比大于临界应力比时,ΔK eff,th随应力比的增加而减小。ΔK eff,th和应力比R之间的函数关系近似服从Lorentz分布。（4）本文提出的改进McEvily模型能有效考虑载荷比效应,并能正确预报经典两级载荷作用下的载荷次序效应,显示出潜在的工程应用价值。（5）在深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报中,比较研究表明:不考虑载荷比效应预报得到的疲劳裂纹扩展寿命明显高于考虑载荷比效应时的结果,在工程应用中是偏于危险的。因此,在进行深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报时,合理有效地考虑载荷比效应是非常重要的。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 立题背景和课题意义

1.2 深海立管涡激振动响应预报方法

1.2.1 涡激振动的基本概念

1.2.2 深海立管涡激振动预报的经验模型

1.2.3 深海立管涡激振动预报的CFD 模型

1.3 基于疲劳累积损伤理论的疲劳寿命预报方法

1.3.1 疲劳累积损伤理论的产生和发展

1.3.2 疲劳S-N 曲线的选取

1.3.3 世界各主要船级社的进展

1.3.4 低周疲劳

1.4 基于疲劳裂纹扩展理论的疲劳寿命预报方法

1.4.1 疲劳裂纹扩展理论的产生和发展

1.4.2 疲劳裂纹扩展门槛值

1.4.3 载荷比效应

1.4.4 载荷次序效应

1.4.5 疲劳小裂纹行为

1.5 深海立管涡激振动疲劳寿命预报方法

1.6 本文主要工作和创新点

第二章深海立管涡激振动预报方法

2.1 引言

2.2 涡激振动的基本知识

2.2.1 涡激振动的基本概念

2.2.2 涡激振动的基本参数

2.3 海洋立管涡激振动预报模型

2.3.1 海洋立管的涡激振动

2.3.2 海洋立管涡激振动预报的经验模型

2.3.3 海洋立管涡激振动预报的CFD 模型

2.4 课题组开发的海洋立管涡激振动预报程序

2.4.1 稳态结构响应模型

2.4.2 有限元模型

2.4.3 流体力模型

2.5 本章小结

第三章基于S-N 曲线的深海立管涡激振动疲劳损伤预报方法

3.1 引言

3.2 深海立管涡激振动响应预报方法

3.2.1 深海立管涡激振动响应预报方法介绍

3.2.2 涡激振动响应预报方法试验验证

3.3 深海立管涡激振动疲劳损伤预报

3.3.1 深海立管涡激振动疲劳应力分析

3.3.2 深海立管涡激振动疲劳损伤预报

3.4 多模态响应涡激振动疲劳损伤确定

3.4.1 Han?ytangen 大尺度立管模型涡激振动实验

3.4.2 各激发模态涡激振动疲劳损伤

3.4.3 各激发模态涡激振动疲劳损伤的平均值

3.4.4 各激发模态涡激振动疲劳损伤的均方根

3.4.5 各激发模态涡激振动疲劳损伤的最大值

3.4.6 多模态响应涡激振动疲劳损伤确定

3.5 本章小结

第四章深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析

4.1 引言

4.2 立管参数设计

4.3 流速分布设计

4.4 深海立管涡激振动疲劳损伤影响因素分析

4.4.1 深海立管涡激振动疲劳损伤预报

4.4.2 顶部预张力对立管疲劳损伤的影响

4.4.3 立管内部流体密度对立管疲劳损伤的影响

4.4.4 管外流速分布对立管疲劳损伤的影响

4.4.5 立管外径对立管疲劳损伤的影响

4.4.6 立管壁厚对立管疲劳损伤的影响

4.5 弹性模量对立管涡激振动疲劳损伤的影响

4.5.1 Marintek 立管模型实验

4.5.2 弹性模量对立管涡激振动疲劳损伤的影响

4.6 本章小结

第五章基于疲劳裂纹扩展理论的MCEVILY 模型

5.1 引言

5.2 基于疲劳裂纹扩展理论的MCEVILY模型

5.2.1 McEvily 模型的基本关系式

5.2.2 疲劳小裂纹的弹塑性行为

5.2.3 疲劳极限和门槛值关系

5.2.4 疲劳裂纹闭合水平

5.2.5 基于疲劳裂纹扩展理论的McEvily 模型

5.3 CUI AND HUANG （2003）提出的九参数模型

5.3.1 九参数模型的提出

5.3.2 过载/低载参数

5.4 九参数模型中表征裂纹闭合水平参数的确定

5.4.1 用7075-T6 铝合金疲劳试验数据拟合模型参数

5.4.2 用6013 铝合金疲劳试验数据拟合模型参数

5.4.3 用0.45wt%碳钢疲劳试验数据拟合模型参数

5.4.4 九参数模型中表征裂纹闭合水平参数的确定

5.5 本章小结

第六章考虑载荷比效应的改进MCEVILY 模型

6.1 引言

6.2 考虑载荷比效应的改进MCEVILY模型

6.3 有效应力强度因子范围门槛值ΔK eff,th 与应力比R 的关系

eff,th 灵敏度分析'>6.3.1 有效应力强度因子范围门槛值ΔK_eff,th灵敏度分析

eff,th 的简化模型'>6.3.2 Schmidt and Paris （1973）提出的ΔK_eff,th的简化模型

eff,th 试验结果'>6.3.3 基于裂纹完全闭合模型的ΔK_eff,th试验结果

eff,th 试验结果'>6.3.4 基于裂纹局部闭合模型的ΔK_eff,th试验结果

eff,P,th 关于应力比R的函数关系式'>6.3.5 ΔK_eff,P,th关于应力比R的函数关系式

6.4 改进MCEVILY模型对不同应力比下疲劳裂纹扩展率的预报

6.4.1 不同应力比下6013 铝合金试验数据（Paris et al., 1999）

6.4.2 非线性最小平方拟合

op,max 与应力比R函数关系的建立'>6.4.3 K_op,max与应力比R函数关系的建立

eff,th 与应力比R函数关系的建立'>6.4.4 ΔK_eff,th与应力比R函数关系的建立

6.4.5 改进McEvily 模型中各个参数的确定

6.5 本章小结

第七章深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报方法

7.1 引言

7.2 初始缺陷和载荷次序对疲劳寿命的影响

7.2.1 问题描述和模型参数

7.2.2 初始缺陷对疲劳寿命的影响

7.2.3 载荷次序对疲劳寿命的影响

7.3 立管涡激振动响应时域预报方法

7.4 考虑载荷比效应的深海立管时域涡激振动疲劳寿命预报

7.4.1 疲劳裂纹扩展模型参数确定

7.4.2 深海立管涡激振动时间载荷历程描述

eff,th 对疲劳寿命的影响'>7.4.3 参数ΔK_eff,th对疲劳寿命的影响

op,max 对疲劳寿命的影响'>7.4.4 参数K_op,max对疲劳寿命的影响

7.4.5 不考虑载荷比效应的时域涡激振动疲劳寿命预报

7.4.6 考虑载荷比效应的时域涡激振动疲劳寿命预报

7.5 本章小结

第八章总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

参考文献

附录1 插图清单

附录2 表格清单

致谢

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