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残余应力及载荷模式对系泊链环应力分布影响
| 论文题名： | 残余应力及载荷模式对系泊链环应力分布影响 |
| 关键词： | 系泊链环;应力分布;残余应力;载荷模式 |
| 摘要： | 长期处于恶劣海洋环境中的系泊链环在风、浪、流的共同作用下，不仅会受到浮式平台往复运动产生的轴向拉伸载荷作用，还会受到平面外弯曲和扭转等复杂载荷作用。链环在某些关键位置的应力可能超出原有设计强度而发生破坏，导致系泊系统失效，进而使整个海洋平台的安全受到威胁。系泊链环生产过程的热处理工艺及试验载荷加载都会产生残余应力，进一步影响链环服役时的应力特性和安全性能。因此，在考虑残余应力的前提下，对链环进行不同载荷模式下的应力分析具有重要意义。 本文旨在通过数值模拟得到系泊链环热处理过程及试验载荷产生的残余应力，在此基础上对链环不同载荷模式下的应力分布和接触特性进行分析，以研究不同角度平面外弯曲及扭转载荷作用下链环应力的差异性，以及不同来源的残余应力对链环应力的影响。 基于上述研究目标，首先，借助有限元软件Ansys Workbench18.2建立R4级76mm无挡链环有限元模型。采用间接法模拟热处理过程残余应力，发现链环外部表现为压应力，内部则表现为拉应力。依据DNV规范施加试验载荷，发现在链环接触区域边缘和截面中线位置存在较大的拉伸残余应力，肩部区域和冠部区域存在较大的压缩残余应力。 然后，分别建立不考虑残余应力，仅考虑试验载荷残余应力以及同时考虑热处理及试验载荷残余应力三种有限元模型，研究不同来源残余应力对轴向拉伸载荷作用下链环应力分布的影响。结果表明，热处理及试验载荷产生的残余应力在链环容易发生破坏的关键位置对应力分布具有显著影响。 最后，分析三种模型在不同角度平面外弯曲及扭转载荷作用下应力分布、接触状态和疲劳寿命的差异。结果表明，三种模型等效应力在小角度平面外弯曲作用时近似相同，但比只有轴向拉伸载荷作用时偏大。链环远离弯曲方向一侧肩部区域的等效应力随弯曲角度增加而增大，另一侧肩部区域变化趋势相反。三种模型的等效应力随扭转角度增加而增大，原因在于随着扭转角度的增加，链环的接触状态逐渐由黏着转变为滑移。通过对比同一载荷特定角度下的链环应力特性，发现都是模型B的等效应力最大。在2°弯曲角度下，模型A和模型C的等效应力分别比模型B小5.8%和15.4%；在10°扭转角度下，分别小7.4%和7.1%。这是由于试验载荷会使得接触区域边缘产生拉伸残余应力，使等效应力增大；而热处理过程会在链环表面形成压缩残余应力，抵消一部分拉应力，使整体的等效应力减小。疲劳寿命计算结果显示，链环整体疲劳寿命的变化趋势与等效应力变化趋势相反。因此，在数值模拟中对试验载荷和热处理过程都应予以充分考虑。 |
| 作者： | 林孝彩 |
| 专业： | 水利工程 |
| 导师： | 乔东生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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