深水半潜式平台结构关键节点的疲劳损伤机理与寿命预测研究

Deepwater semi-submersible platform structures under the load of deep-sea environment and operating will generate fatigue damage accumulation, which accelerates the expansion of fatigue crack and causes the fatigue failure of platform structures. First of all, the stress responses of the platform under different deep-sea states will be analyzed to determine the fatigue crucial structures in this project. Failure modes of the fatigue crucial structures will be studied by considering the stress states of the crucial structures in serving under deep-sea environment. And then, on the basis of analysis results, the fatigue damage-fracture mechanism of semi-submersible platform structures will be explored. Considering the influence on the fatigue life of crucial structures by stress level, loading sequence and frequency, the theoretical model of the platform fatigue crucial structures will be established. Finally, the microstructures of different regions in fatigue fractures are analyzed to reveal the fatigue crack growth rates, directions and the fatigue failure mechanism, clarify the law and nature of crucial structures from fatigue cumulative damage to fatigue crack propagation until rapidly breaking. Based on the analysis above, the fatigue life prediction model of deepwater semi-submersible platform crucial structures will be established. It will provide a scientific basis for the effective prediction of fatigue damage degree, maintenance and reinforcement the structures in time, extending the service life of crucial structures, avoiding the fatigue accidents and ensuring the safe and reliable operation of the platform.

深水半潜式平台结构在深海环境荷载和作业动荷载的作用下容易产生疲劳损伤累积，加速疲劳裂纹的扩展，导致结构发生疲劳破坏。本项目首先分析深海不同工况下半潜式平台结构的应力响应，确定半潜式平台结构疲劳关键部位，考虑深海环境下半潜式平台结构关键部位服役时的受力状态，研究平台结构疲劳关键部位的失效模式；在此基础上，探索深水半潜式平台结构关键部位的疲劳损伤断裂机理，考虑应力水平、加载次序和频率对关键节点疲劳寿命的影响，建立平台关键节点的疲劳损伤断裂理论模型；研究疲劳断口不同裂纹扩展区域的微观组织结构，揭示疲劳裂纹扩展速率、裂纹扩展方向及疲劳破坏机理，阐明关键节点从疲劳累积损伤到疲劳裂纹扩展直至迅速断裂整个过程的规律和本质，建立深水半潜式平台关键节点的疲劳寿命预测模型。为有效地预测结构的疲劳损伤程度，及时地对结构进行维修加固，延长结构的使用寿命，避免平台发生疲劳事故，确保平台安全可靠运行，提供科学依据。

深水半潜式平台作为海洋油气资源开发的一种主要平台，其结构分析技术显得尤为重要。本项目围绕深水半潜式平台结构疲劳分析技术这一课题，分析了深水半潜式平台结构的疲劳寿命及疲劳可靠性，进行了平台校核节点的疲劳试验和监测研究。通过对海洋半潜式平台的强度分析、整体疲劳寿命的估算从而确定疲劳各关键部位的节点。运用子模型技术，采用几何应力外插法对平台结构关键节点进行分析，得到单位波高荷载下各连接部位不同浪向的热点主应力幅值，为海洋半潜式平台结构疲劳寿命分析奠定了基础。对深水半潜式平台横撑部位的两类关键节点进行了疲劳试验研究，分析了关键节点的疲劳破坏现象、疲劳破坏过程以及疲劳裂纹扩展规律。传统子模型技术及存在的问题进行了系统分析,提出了多边界插值方法和改进多边界插值方法,并应用于深水张力腿平台的整体模型和子模型分析,探讨了传统边界插值方法、多边界插值方法和改进多边界插值方法的计算精度针。基于光纤布拉格光栅（FBG）监测原理，对半潜式平台结构关键节点进行了疲劳响应监测试验研究和疲劳损伤后的极限强度监测试验研究，通过FBG与应变计监测结果对比，分析了节点应变和位移变化规律，探讨了平台结构节点疲劳响应和疲劳剩余极限强度的监测方法。通过引入压磁检测技术，对锈蚀钢筋疲劳过程中的压磁场分布进行检测，从宏观与微观相结合的角度分析压磁场分布与疲劳损伤之间的联系，为压磁无损检测技术在钢筋混凝土结构中的应用提供了理论依据；通过对28根不同锈蚀率下的加速锈蚀钢筋进行轴向拉伸疲劳试验，研究疲劳损伤过程中压磁信号的演变规律，挖掘了压磁信号与钢筋锈蚀程度之间的关系。