姚健[1]2004年在《冰荷载与冰振平台疲劳分析方法》文中指出冰荷载对于在冰区服役的海洋结构是主要的影响因素，冰激振动会对结构产生不同程度的破坏。较高的极值冰荷载甚至会造成结构在短时间内倾覆。交变动冰力导致的结构热点应力很容易引起结构的局部疲劳失效，这一切都说明冰荷载研究的重要性。 本文首先总结了有关海冰与结构挤压作用下的冰荷载的以往研究工作，重点介绍了渤海辽东湾JZ20-2平台和JZ9-3平台现场原型结构测量系统以及测冰压力盒的工作原理。探讨了直立结构与冰作用时冰的几种破坏模式，即在慢冰速下冰发生塑性破坏，随着冰速的加快冰的破坏形式逐步过渡为裂纹损伤破坏，直至纯脆性破坏，其中重点分析了在塑性破坏形式下针对不同冰厚度的冰荷载，并与通用的公式相比较发现应该适量调整修正系数α，以便降低受冰力作用的海洋结构的设计风险性。其次对冰脆性破坏时的荷载进行了统计，结果显示当冰速较慢时荷载的变化较大，而当冰速较快时荷载的变化较小。此外还发现冰速由低到高变化时，不同位置处荷载峰值的出现由同步变为随机。 最后，根据冰区海洋平台所处的工作环境的特点即经受随机的冰力作用，本文提出了采用功率谱方法进行疲劳分析。根据冰层的破坏形式的不同提出了采用疲劳相当应力幅的方法计算疲劳损伤。
张大勇[2]2007年在《基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究》文中认为基于性能的结构设计是使设计出的结构在未来的灾害荷载下能够维持所要求的性能水平,它要求在结构设计中从以往只注重结构的安全,向全面注重结构的性能、安全、经济等诸多方面发展。针对我国渤海边际油田抗冰导管架平台设计中出现的问题—基于极端静冰荷载,没有考虑冰激振动带来的巨大风险。本文结合“863”国家高技术研究发展计划“新型平台抗冰振技术”(编号2001AA602015)项目,对边际油田抗冰导管架结构进行基于性能的风险设计,建立了柔性抗冰结构的失效模式,即设计准则,并提出了相关判据;基于投资—效益准则进行海洋平台抗冰振设计,将此转化为以结构整个寿命周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。本文研究内容包括如下几个方面:第一章介绍了本研究的背景、意义,回顾了边际油田抗冰结构设计思想的发展概况,概括了抗冰结构动力分析与优化设计的研究状况以及本文的研究工作。第二章从投资-效益准则、结构寿命周期内总费用评估、初始造价评估、结构失效损失值估计等方面,对基于性能的抗冰导管架结构设计理论中的有关问题进行了讨论,认为抗冰结构的动力分析及失效模式,即设计准则是基于性能设计的瓶颈。第叁章基于现场原型试验,对取得的冰荷载研究成果进行了归纳,并且通过对渤海辽东湾抗冰结构及上部设施的实时测量,进一步明确冰激振动对边际油田抗冰导管架结构的影响。本章研究为抗冰结构性能设计的失效模式及结构动力分析提供可靠的理论基础。第四章基于多年现场冰与结构作用观测以及冰荷载的研究成果,明确了冰激振动对抗冰导管架直立结构和锥体结构的影响,即冰致抗冰结构动力放大明显。通过对失效构件的力学分析、春季检修法兰松动统计、法兰松动失效机理解释及室内试验,进一步论证了渤海石油柔性抗冰结构的动力失效模式,并确定了各种失效模式的失效判据。分析结果表明,渤海特殊的环境条件及石油分布决定了渤海导管架平台为典型的柔性抗冰结构;冰振不仅可以引起显着的管结点疲劳应力;还可以引起较大的甲板加速度响应,危害平台上部管线的安全,降低作业人员的工作效率。第五章基于前一章节对抗冰结构失效模式的分析,建立了冰激振动下结构的动力失效量化分析方法。包括基于监测的抗冰结构疲劳寿命估算、冰激振动对作业人员的风险评估、以及冰激抗冰平台上部管线系统的振动分析。本章研究弥补了抗冰结构设计和安全评估中忽略冰激振动的不足,很大程度上促进了现役抗冰平台在冰激振动下的安全评估,为形成更好的平台失效标准创造良好的理论基础。第六章针对抗冰海洋平台不同类型的失效模式,提出了相应的可靠度计算方法。首先,利用Monte-Carlo随机抽样,通过对大量样本统计分析,得到了冰区导管架海洋平台结构整体抗力及极值冰力响应的概率统计,在此基础上提出了冰区海洋平台整体可靠度分析的高效近似算法。其次,采用首次超越破坏机制来研究海洋平台冰振动力可靠性问题;最后,结合现有的冰疲劳环境荷载及冰力谱函数,提出了相对冰速、冰厚随机冰载的等效应力幅值的近似计算方法,进行疲劳寿命及可靠性分析。本章的研究是基于性能的抗冰结构风险设计中的基本工作。第七章基于投资—效益准则进行海洋平台抗冰振设计,将此转化为以结构整个寿命周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。确定了冰区海洋平台全寿命总费用的评估模型;考虑了抗冰平台结构多种类型的性能要求(结构、设备、人员),建立极端冰荷载和动冰荷载下各种失效模式的损失值评估方法。基于先前建立的抗冰结构各种失效模式的失效概率计算,以渤海某抗冰平台为例,实现了全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计。结果表明,基于投资-效益准则的风险设计模型对冰区海洋平台最优设计是可行的,并且与基于规范的静力设计和考虑动力的最优设计相比更加合理。最后,对全文工作进行总结,并提出了需要进一步研究的内容。
许宁[3]2011年在《锥体海洋结构的冰荷载研究》文中指出冰荷载是寒区海洋结构的控制荷载。由于海冰的破坏和断裂理论尚未成熟,使得冰荷载研究发展缓慢,迄今未能建立合理的理论和计算模型。对于传统的直立形式抗冰结构,海冰发生挤压破坏,产生最危险的冰荷载,其中极值和交变荷载的机理尚未研究清楚。本文提出在直立结构上安装破冰锥体的概念以降低冰力,其原理是将结构水面位置改造成锥体形式,将海冰的挤压破坏模式转化为弯曲破坏,从而达到降低冰力和冰激振动的目的。自上世纪70年代开始,人们主要针对锥体结构极值静冰力进行研究,而动冰力的研究开展较少。针对动力问题显着的渤海冰区锥体导管架结构,大连理工大学曾开展了完备的海冰现场监测,基于实测数据建立了冰力模型,并已广泛应用于同海域结构的冰振响应预测。但上述结论对于其它海域和结构的应用存在着一定的局限性。海冰对结构作用的破坏过程非常复杂,无法采用经典力学理论或数值方法进行分析与模拟,实验方法成为研究冰荷载的主要手段。本文通过对直接测量冰力和海冰破坏行为的分析,对锥体结构冰荷载进行理论分析并建立了计算表达式：通过开展不同尺寸的原型结构和室内模型的实验研究,揭示了海冰荷载的周期、大小和时程变化的形成机理,建立了动冰力计算模型；提出了交变冰力的发生判据和宽、窄锥体结构的定义,并论证了结论的适用范围。通过冰荷载和实测结构响应的对比分析,论证了安装破冰锥体降低平台冰振的效果。本文的主要研究工作如下：1.针对渤海冰区两座原型结构的现场测量和德国汉堡船模实验室(HSVA)模型实验研究。原型结构现场测量能够为冰荷载研究提供最真实的信息,主要包括冰力和海冰破坏行为：利用JZ20-2MUQ平台上的压力盒冰力测量系统能够直接获取冰力时程曲线,通过同步测量的海冰-结构作用过程说明动冰力形成的物理过程；为避免特定结构测量信息和结论的局限性,针对同海域最大锥体导管架结构进行了冰力测量,即通过结构水下光纤应变测量整体冰力。通过现场测量得到了海冰破坏的基本规律和冰荷载的基本结论。为进一步分析结构形式(尺寸)对海冰破坏和冰荷载的影响,开展了锥体模型的室内实验。通过模型实验更加详细地分析了与锥体作用时的海冰破坏行为(包括正、倒锥体),进而对现场监测的研究结论进行验证。2.基于直接测量的海冰破坏模式分析,统计分析了海冰对锥体结构作用力的周期和幅值,确定了动冰力的形成机制,并建立了相应的计算模型。海冰交变冰力形成的物理机制是冰在锥体前的持续断裂过程：冰力周期的实质在于相邻海冰断裂的时间间隔,取决于海冰断裂长度和运动速度；冰力幅值的本质在于裂纹形成和扩展时的能量释放。二者均受到海冰破坏模式的控制。结合海冰断裂的形成机理分析,即海冰内部裂纹的形成和扩展机制,确定了原型和室内实验中两种主要的海冰破坏模式：楔梁型和板型弯曲破坏。根据实验研究中的参数范围,提出海冰破坏模式的控制要素,其中对锥体结构尺寸的影响进行了重点讨论,为研究结论的适用性奠定基础。基于海冰破坏行为的分析,利用实测冰力数据建立了冰力周期和幅值的计算模型。3.根据海冰与结构作用的物理过程确定了交变冰力的基本形式和发生判据,并给出了宽、窄锥体结构的定义。海冰与结构作用的物理过程是海冰荷载时程变化的机理解释。根据压力盒直接测量的冰力时程和同步获取的冰-锥作用过程,提出了交变冰力的基本形式：叁角脉冲(加载、卸载)和完全卸载组成的周期性荷载。完全卸载对应破碎冰在结构前的完全清除,能够保证未破碎冰直接作用于锥体,也是海冰持续弯曲破坏和交变冰力的发生条件和判据。若破碎冰能够完全清除,则定义该结构为窄锥体,此时发生交变冰力；若破碎冰不能及时清除而发生冰堆积,完整冰板不能直接作用于锥体,此时定义该结构为宽锥体。在此基础上确定了交变冰力的基本形式及其适用范围,并建立了窄锥结构的动冰力计算模型。该模型通过了多座原型结构实测响应的验证,可用于锥体海洋结构的冰振预测、评价和结构设计。4.基于原型结构的现场测量,对安装锥体降低冰振危害的效果进行了分析和评价。在直立海洋结构上安装锥体的主要目的是降低冰力和冰振。通过对冰力和结构振动响应的对比分析,说明了加锥减振的可行性和优势。安装锥体后可以从根本上消除直立结构由于海冰挤压破坏而可能引发的频率锁定冰力和恒幅稳态振动现象；通过原型结构的直接冰力测量,证明了锥体结构对冰力具有显着的降低作用,并对加锥降低冰振的效果进行了量化分析,结果表明安装破冰锥体达到了预期的效果。本文系统地开展了锥体结构动冰力形成机理、冰荷载计算模型以及安装锥体抗冰效果评价等方面的研究,从理论上研究了海冰与锥体结构相互作用时的破坏机理及冰力模型,对冰区锥体海洋结构的优化设计和安全评估具有很好的应用价值。
参考文献：
[1]. 冰荷载与冰振平台疲劳分析方法[D]. 姚健. 大连理工大学. 2004
[2]. 基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究[D]. 张大勇. 大连理工大学. 2007
[3]. 锥体海洋结构的冰荷载研究[D]. 许宁. 大连理工大学. 2011
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