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原文传递合成纤维系缆非线性动力特性及绷紧式系泊系统响应研究

论文题名：	合成纤维系缆非线性动力特性及绷紧式系泊系统响应研究
关键词：	合成纤维缆绳;非线性动力特性;绷紧式系泊系统;动力响应;疲劳寿命
摘要：	新型深水绷紧式系泊系统以合成纤维材料系缆作为主体系缆,在复杂海洋环境条件下,系缆的时间相关特性(蠕变-回复)、特殊的循环张力-伸长关系、动刚度特性以及疲劳破坏特性等非线性力学特性,与系泊系统的性能响应及安全性直接相关,深入认识和把握这些特性对于绷紧式系泊系统在深海工程的应用具有十分重要而紧迫的意义。本文基于对绷紧式系泊系统关键特性的认识,通过机理探究、理论发展和模型实验研究,针对合成纤维系缆的循环动力特性、蠕变-回复特性以及绷紧式系泊系统的动力响应和疲劳寿命这三项内容展开了深入的研究,主要研究工作及创新成果包括: 　　首先,为了研究合成纤维缆绳的循环动力特性,设计并制造了循环加载实验系统,这是国内首台能针对合成纤维缆绳进行循环载荷实验的设备。值得一提的是,在国际范围内,本实验系统还有以下三大亮点:(1)设计采用光轴与拉线位移传感器组合的测量系统实现对缆绳标记段的测量,缆绳的刚性铁夹与传感器及拉线端头底座之间用强磁连接,实现了对测量系统的保护;(2)采用双水箱结合的水循环系统,真实地模拟了缆绳浸泡于水中的工程实际状态;(3)采用机械转轮与伺服电机结合的室内卧式实验加载系统,具有便于安装运输、造价低和耗能小等优点; 　　第二,针对合成纤维系缆在循环载荷作用下的力学特性,包括循环张力-伸长关系及其滞回特性、动刚度及残余应变随加载周次的演变等开展了模型实验研究。对平均张力、应变幅值等影响因素进行了深入的分析和探讨。基于量纲分析法推导了动刚度相似准则,并结合不同直径缆绳的模型实验结果对其进行了考察。将动刚度实测结果与国际常用经验公式进行了对比和分析。基于对合成纤维系缆循环动力特性的深入认识,提出了考虑循环载荷周次的动刚度经验公式,该经验公式具有通用性,是传统动刚度经验公式的继承和发展,具有重要的工程参考价值; 　　第三,建立了能全面反映Aramid和Polyester等合成纤维系缆的蠕变-回复特性的本构模型。提出了确定模型参数的详细方法,可以适用于纤维、纱线、子缆及全比尺系缆等各种比尺的系缆组分。为了考察模型的有效性和可靠性,以Chailleux和Davies文献中的Aramid和Polyester纱线为例进行计算分析,并将计算结果与其数值和实验结果进行了对比,结果表明,基于本模型的计算结果与实验结果吻合得更好。本模型一方面避免了Chailleux和Davies模型中因参数 pD而与物理规律不符的现象,另一方面也实现了对Flory等所述缆绳变形特性的定量描述; 　　第四,结合Schapery理论和Owen粘塑性理论,建立了能定量描述合成纤维系缆循环动力特性的新型本构模型,提出了确定模型参数的详细方法。为了考察本模型的有效性和可靠性,以Polyester和Aramid缆绳的实验工况为例进行了计算分析。将动刚度计算结果与模型实验结果及经验公式进行了对比,结果表明,三者较为吻合;将滞回圈计算结果与模型实验结果进行对比,结果表明,基于本模型能模拟出与实验规律相符的物理现象。本模型从缆绳变形机理和载荷历史角度出发,是Fran?ois和Davies所描述的真正的“时域”本构模型,一方面填补了反映合成纤维系缆时间相关特性本构关系的空白,另一方面也为特定海况下系泊系统动力响应的深入分析提供了有力工具; 　　第五,基于时域动力分析理论、雨流计数法以及 Palmgren-Miner线性累积损伤理论,针对FPSO及其 Polyester绷紧式系泊系统进行了全面的动力响应及疲劳分析,详细考察了预张力、动刚度以及 T-N曲线这三种影响因素对其疲劳寿命的影响。对单缆失效前后进行的系泊系统疲劳分析表明,单缆失效导致系泊形式发生改变,显著增加未失效系缆尤其是相邻系缆的负载,导致系缆的疲劳寿命明显缩短。目前,针对深水系缆仍然缺乏成熟的检测技术,获得单缆失效对绷紧式系泊系统疲劳损伤及疲劳寿命影响的定量描述,具有重要意义。
作者：	黄维
专业：	港口、海岸及近海工程
导师：	刘海笑
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文