CN114563241B - 模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法，缩尺模型疲劳试样包括下底板、上底板和上立柱，下底板和上底板均为十字形钢板，下底板和上底板之间设置有井字形支撑板，下底板、上底板和井字形支撑板构成十字形的内部中空的底座，底座的四个侧端面上均设置有法兰，上立柱为由四个立板围成的矩形立柱，上立柱的顶部设置有顶板；本发明中的模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样，能够实现半潜式深水平台的下浮体结构级疲劳试样的单轴拉/压、单轴弯曲、双轴拉/压以及单双轴拉/压和弯曲同步加载的试验条件，更好地模拟浮体结构的实际情况，从而保证实际结构可靠、精确的疲劳性能数据的获取。

Description

模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法

技术领域

本发明涉及加载试验技术领域，特别是涉及模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法。

背景技术

随着工业技术水平的不断发展以及“海洋强国”战略的落实与推进，海洋资源正逐渐成为我国最重要的战略开发地。随着国内浅海油田相继进入产量递减阶段，走向深海已经成为中国海洋油气开发的重要战略。半潜式深水平台是深海浮式生产系统的主要型式之一，具有适用工作水深范围广、甲板面积大、运动性能好、可变载荷大、可迁移并且重复利用等优点。由于半潜式深水平台尺寸大、结构复杂、承受复杂载荷并且服役环境差，因此对其关键焊接结构的疲劳性能的研究，有助于对关键疲劳浮体部位进行合理的疲劳设计，进而避免结构失效等事故的发生，保障大型半潜式深水平台的安全服役。

半潜式深水平台的下浮体往往服役于载荷复杂、环境恶劣的环境，因此需要搭建合理、可靠的测试系统对其复杂的受力情况进行有效分析，获得可靠的疲劳性能数据，从而保证疲劳设计的合理性。目前在国内加载试验技术领域，对其疲劳性能的研究基本停留在材料级试样研究，对大试验力结构级试样的研究鲜有报道。为解决这一问题，需要在大型试验系统基础上对试样进行合理设计，实现对深水平台下浮体的疲劳性能进行合理、有效研究，为半潜式深水平台的下浮体的疲劳设计提供理论指导。

发明内容

本发明的目的是提供模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现半潜式深水平台的下浮体结构级疲劳试样的单轴拉/压、单轴弯曲、双轴拉/压以及单双轴拉/压和弯曲同步加载的试验条件，更好地模拟浮体结构的实际情况，从而保证实际结构可靠、精确的疲劳性能数据的获取。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样，包括下底板、上底板和上立柱，所述下底板和所述上底板均为十字形钢板，所述下底板和所述上底板之间设置有井字形支撑板，所述下底板、所述上底板和所述井字形支撑板构成十字形的内部中空的底座，所述底座的四个侧端面上均设置有法兰，所述上底板的顶部设置所述上立柱，所述上立柱为由四个立板围成的矩形立柱，所述上立柱的顶部设置有顶板，所述上立柱的内部靠近所述顶板的一端设置有钢板。

优选地，所述下底板的四端钢板的宽度相等，所述下底板与所述上底板的结构和尺寸相同。

优选地，所述下底板和所述上底板的四个夹角处均焊接有弧形的筋板一。

优选地，所述井字形支撑板的顶部与所述上底板焊接连接，所述井字形支撑板的底部与所述下底板焊接连接。

优选地，所述井字形支撑板包括相互焊接连接并拼合成井字形的多个立板。

优选地，所述上立柱焊接在所述上底板的顶部，所述钢板和所述顶板与所述上立柱焊接连接。

优选地，所述上立柱的四个立板的底部两侧均焊接有弧形的筋板二。

优选地，所述法兰焊接在所述底座的四个侧端面上。

本发明还提供针对上述模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样的制作方法，包括以下步骤：

1)、根据深水平台下浮体结构的材料物理性能参数以及实际结构形式，建立有限元分析模型，基于ABAQUS软件，对模型施加约束并设置边界条件，充分考虑下浮体结构的应力集中水平以及性能薄弱部位，对深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样进行应力分析，检验所设计试样的合理性，并确定试样的厚度；

2)、根据深水平台下浮体结构的实际细节尺寸和几何形貌，按照比例进行缩尺，对深水平台下浮体结构的缩尺模型疲劳试样的细节尺寸与形貌进行设计；

3)、保证深水平台下浮体结构的缩尺模型疲劳试样与深水平台下浮体实际结构在焊接规范、施工工艺以及施工顺序方面保持一致，避免因加工方法不一致造成的应力状态变化，保证准确疲劳性能数据的获取；

4)、安装设计好的深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样，将其各组成部件进行安装形成深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法，具备大型复杂结构的单轴拉/压、单轴弯曲、双轴拉/压以及单双轴拉/压和弯曲同步加载的试验条件，能够更真实地模拟浮体结构的实际结构及其服役的复杂载荷环境的实际工况，针对性地进行疲劳试验。所述模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样具有半潜式深水平台下浮体的相同结构，可以有效模拟真实结构在复杂载荷条件下的服役环境，有利于获得其准确、可靠的疲劳性能，进而对半潜式深水平台下浮体的合理疲劳设计提供理论指导，进而保证大型半潜式深水平台的优越性能以及安全服役。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样的结构示意图；

图2为本发明中下底板的结构示意图；

图3为本发明中焊接有立板一、立板二的下底板的结构示意图；

图4为本发明中焊接有立板一、立板二、立板三、立板四的下底板的结构示意图；

图5为本发明中焊接有立板一、立板二、立板三、立板四、立板五、立板六、立板七和立板八的下底板的结构示意图；

图6为本发明中底座的结构示意图；

图7为本发明中焊接有法兰的底座的结构示意图；

图中：1-下底板、2-上底板、3-上立柱、4-井字形支撑板、41-立板一、42-立板二、43-立板三、44-立板四、45-立板五、46-立板六、47-立板七、48-立板八、5-底座、6-法兰、7-顶板、8-钢板、9-筋板一、10-筋板二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样及其制作方法，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样，如图1-7所示，包括下底板1、上底板2和上立柱3，下底板1和上底板2均为十字形钢板，下底板1和上底板2之间设置有井字形支撑板4，下底板1、上底板2和井字形支撑板4构成十字形的内部中空的底座5，底座5的四个侧端面上均设置有法兰6，上底板2的顶部设置上立柱3，上立柱3为由四个立板围成的矩形立柱，上立柱3的顶部设置有顶板7，上立柱3的内部靠近顶板7的一端设置有钢板8。

于本具体实施例中，下底板1的四端钢板的宽度相等，下底板1与上底板2的结构和尺寸相同；下底板1和上底板2的四个夹角处均焊接有弧形的筋板一9。

于本具体实施例中，井字形支撑板4的顶部与上底板2焊接连接，井字形支撑板4的底部与下底板1焊接连接。

于本具体实施例中，井字形支撑板4包括相互焊接连接并拼合成井字形的多个立板。

于本具体实施例中，上立柱3焊接在上底板2的顶部，钢板8和顶板7与上立柱3焊接连接。

于本具体实施例中，上立柱3的四个立板的底部两侧均焊接有弧形的筋板二10。

于本具体实施例中，法兰6焊接在底座5的四个侧端面上。

本实施例还提供了一种模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样的制作方法，包括以下步骤：

1)、深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样设计原则：危险位置处峰值应力和应力集中系数水平与实际结构一致，采用数值计算的方法保证缩尺模型的峰值应力与实际结构一致。根据深水平台下浮体结构的材料物理性能参数以及实际结构形式，建立有限元分析模型，基于ABAQUS软件，对模型施加约束并设置边界条件，充分考虑下浮体结构的应力集中水平以及性能薄弱部位，对深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样进行应力分析，检验所设计试样的合理性，并确定试样的厚度；

2)、根据深水平台下浮体结构的实际细节尺寸和几何形貌，按照比例进行缩尺，对深水平台下浮体结构的缩尺模型疲劳试样的细节尺寸与形貌进行设计；本实施例中具体按照1:20的比例进行缩尺；

3)、保证深水平台下浮体结构的缩尺模型疲劳试样与深水平台下浮体实际结构在焊接规范、施工工艺以及施工顺序方面保持一致，避免因加工方法不一致造成的应力状态变化，保证准确疲劳性能数据的获取；

4)、安装设计好的深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样，将其各组成部件进行安装形成深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样。具体安装过程如下：

结合步骤1-3深水平台下浮体实际结构形貌特点以及加工方法，如图2所示，确定试样下底板1为均匀十字形钢板，四端钢板宽度分别相等，并分别在四个夹角位置焊接筋板一9；深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样设计为十字型对称模型，实现在试验机上模拟深水平台的疲劳载荷工况，如图3所示，在十字形的下底板1上方设置宽度与底板一端相等的平行的立板一41与立板二42，通过焊接方法与下底板1连接；如图4所示，在下底板1上方垂直设置宽度与下底板1整体宽度相等的平行的立板三43与立板四44，通过焊接方法与下底板1连接；在下底板1上方的立板一41两侧设置立板五45与立板六46，立板二42两侧设置立板七47与立板八48，立板五45与立板六46位于立板三43的外侧，立板七47与立板八48位于立板四44的外侧，并通过焊接方法与下底板1连接；如图5所示，各立板构成的井字形支撑板4上端通过焊接方法设置于下底板1相同尺寸的上底板2；利用焊接方法，分别在上底板2的四个夹角位置设置筋板一9；如图6所示，考虑到缩尺模型疲劳试样与测试设备的相连与载荷施加，深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样四轴需要分别焊接法兰6，实现与大型疲劳试验机的牢固连接；如图7所示，利用焊接方法，在上底板2上方分别设置四块立板构成方形的立柱，并分别在四块立板两侧焊接筋板二10，共八块；在四块立板围成的上立柱3内部距离顶端一定距离处焊接一块钢板8；在四块立板围成的方柱顶端焊接一块与上述步骤尺寸相同的钢板8作为顶板7；对所有焊缝以及加强筋位置进行冷加工处理，消除焊缝余高并对圆弧位置进行修整，避免应力集中导致的连接位置开裂，并保证能够更真实地模拟海洋深水平台浮体结构的实际情况；对四个法兰6的四个位置处的焊缝以及与缩尺模型疲劳试样的连接位置进行疲劳性能增强处理(冷加工以消除应力集中、喷丸以增强表面质量、氩弧焊热处理以降低残余应力)，确保缩尺模型疲劳试样能够真实模拟浮体结构的实际情况；模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样加工与组装完成后，可以对模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样进行安装并开展复杂载荷条件下的结构件的疲劳性能测试。

其中，本发明中的模拟深水平台浮体结构缩尺疲劳试样焊接规范与深水平台工程施工工艺保持一致、结构级疲劳试样的施工顺序与实际下浮体结构保持一致。

能够实现半潜式深水平台下浮体的大型复杂结构级缩尺模型试样在单轴拉/压、单轴弯曲、双轴拉/压以及单双轴拉/压和弯曲同步加载的试验条件，能够更真实地模拟浮体结构的实际结构及其服役的复杂载荷环境的实际工况，针对性地进行疲劳试验，有利于获得其准确、可靠的疲劳性能，进而对半潜式深水平台下浮体的合理疲劳设计提供理论指导，进而保证大型半潜式深水平台的优越性能以及安全服役。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样，其特征在于：包括下底板、上底板和上立柱，所述下底板和所述上底板均为十字形钢板，所述下底板和所述上底板之间设置有井字形支撑板，所述下底板、所述上底板和所述井字形支撑板构成十字形的内部中空的底座，所述底座的四个侧端面上均设置有法兰，所述上底板的顶部设置所述上立柱，所述上立柱为由四个立板围成的矩形立柱，所述上立柱的顶部设置有顶板，所述上立柱的内部靠近所述顶板的一端设置有钢板；所述下底板的四端钢板的宽度相等，所述下底板与所述上底板的结构和尺寸相同；所述下底板和所述上底板的四个夹角处均焊接有弧形的筋板一；所述井字形支撑板的顶部与所述上底板焊接连接，所述井字形支撑板的底部与所述下底板焊接连接；所述井字形支撑板包括相互焊接连接并拼合成井字形的多个立板；所述上立柱焊接在所述上底板的顶部，所述钢板和所述顶板与所述上立柱焊接连接；所述上立柱的四个立板的底部两侧均焊接有弧形的筋板二；所述法兰焊接在所述底座的四个侧端面上。

2.一种如权利要求1中所述模拟深水平台浮体结构的缩尺模型疲劳试样的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、根据深水平台下浮体结构的材料物理性能参数以及实际结构形式，建立有限元分析模型，基于ABAQUS软件，对模型施加约束并设置边界条件，充分考虑下浮体结构的应力集中水平以及性能薄弱部位，对深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样进行应力分析，检验所设计试样的合理性，并确定试样的厚度；

2)、根据深水平台下浮体结构的实际细节尺寸和几何形貌，按照比例进行缩尺，对深水平台下浮体结构的缩尺模型疲劳试样的细节尺寸与形貌进行设计；

3)、保证深水平台下浮体结构的缩尺模型疲劳试样与深水平台下浮体实际结构在焊接规范、施工工艺以及施工顺序方面保持一致，避免因加工方法不一致造成的应力状态变化，保证准确疲劳性能数据的获取；

4)、安装设计好的深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样，将其各组成部件进行安装形成深水平台下浮体结构缩尺模型疲劳试样。