合成纖維系纜的復雜力學性能及其對繃緊式系泊系統(tǒng)動力響應的影響.pdf

1、海洋浮式結構物的定位技術是海洋資源開發(fā)的關鍵技術。隨著海洋油氣資源開發(fā)不斷向深水和超深水海域挺進，繃緊式系泊系統(tǒng)成為備受青睞的定位方式。然而合成纖維纜繩具有復雜的力學性能，有別于鋼鏈和鋼纜，因此針對合成纖維纜繩進行實驗研究和理論模型開發(fā)具有重要的工程意義和學術價值。此外，由于系纜的差異將導致系泊系統(tǒng)的響應發(fā)生變化，因此在深入把握合成纖維纜繩力學性能的基礎上，探究系纜力學性能演變對繃緊式系泊系統(tǒng)動力響應的影響也備受海洋工程界的關注。為了保

2、障系泊系統(tǒng)安全可靠地運行，本文圍繞合成纖維系纜的復雜力學性能和其對系泊系統(tǒng)響應的影響這兩個重要專題開展了研究。
　　首先，設計研發(fā)了合成纖維纜繩實驗設備，并提出了合成纖維纜繩的實驗技術和標準實驗流程，特別是對纜繩接頭處理技術（環(huán)眼插編法）進行了詳細說明。以此為基礎，為了深入地把握合成纖維纜繩的力學特性，分別研究了損傷纖維纜繩的動剛度演變，高強聚乙烯(HMPE)纜繩的蠕變和蠕變-破斷性能，高強聚乙烯纜繩疲勞性能以及纜繩的磨合(Bed

3、ding-in)標準流程。(1)通過研究損傷合成纖維系纜的動剛度演變，發(fā)現(xiàn)纜繩的損傷度、平均張力、應變幅值和循環(huán)載荷周次都對纜繩的動剛度有影響。因此，基于量綱分析的方法，提出了綜合考慮這四種影響因素的動剛度經(jīng)驗公式，發(fā)現(xiàn)此動剛度經(jīng)驗公式所得的計算值與對應的實驗值吻合度很好，并可以利用小尺寸受損纜繩動剛度推測較大尺寸受損纜繩的動剛度。(2)通過高強聚乙烯子纜蠕變和蠕變-破斷的實驗研究可知，高強聚乙烯試樣的蠕變-破斷曲線存在三個階段，并提出

4、了可以計算高強聚乙烯纜繩第二階段蠕變率的經(jīng)驗公式，以用于纜繩蠕變量的估算。此外，還提出了一經(jīng)驗公式用于計算高強聚乙烯纜繩在定常載荷下的蠕變壽命。(3)對高強聚乙烯纜繩開展了系統(tǒng)的疲勞實驗研究，考察了平均張力和張力幅值對疲勞壽命的影響，給出了纜繩整個壽命周期下的張力-時間、應變-時間、張力-應變和動剛度演變曲線，發(fā)現(xiàn)高強聚乙烯纜繩疲勞破壞的平均應變約為7％，并對獲得的實驗數(shù)據(jù)進行了分析，首次提出了提出了考慮平均張力和張力幅值影響的疲勞壽命

5、計算公式。(4)通過系統(tǒng)地實驗研究，提出了采用合成纖維纜繩張力-應變曲線的斜率作為纜繩磨合程度的量化指標，并提出了前期加載為循環(huán)載荷時，合成纖維纜繩磨合程度的計算公式，統(tǒng)一了所有纖維纜繩實驗規(guī)范對纜繩磨合的認識。根據(jù)合成纖維纜繩磨合所施加的力載荷范圍和載荷周次不宜過大、時間不宜過長等原則，建議了合成纖維纜繩的磨合流程。該研究有助于準確定義纜繩的載荷歷史，同時有助于準確獲得纜繩初期加載對力學特性的影響。
　　其次，為了刻畫合成纖維纜

6、繩蠕變-破斷行為，從熱力學框架出發(fā)，建立了粘彈性和損傷耦合的本構模型，并詳細地介紹了模型參數(shù)的確定方法，該方法可用于合成纖維纜繩任一組分（比如纖維、紗線、子纜和纜繩）的參數(shù)確定。研究表明所提出的蠕變-破斷模型采用少量短期的實驗數(shù)據(jù)即可標定模型參數(shù)，然后可以高效地預測在其他載荷水平下合成纖維纜繩全壽命周期的蠕變-破斷響應?？傮w來說，模型預測結果與實測結果吻合度較高。此外，為了更加準確地刻畫合成纖維纜繩的力學特性，特別是為了更好地刻畫合成纖

7、維纜繩在復雜載荷條件下的力學行為，建立了粘彈性、粘塑性以及損傷相耦合的本構模型，并采用新的蠕變-破斷實驗數(shù)據(jù)驗證了新模型的準確性和可靠性。
　　最后，基于系泊纜繩力學特性的認識和把握，提出了一新型混合纜。為了考察該混合系纜的可行性，采用鋼鏈-高強聚乙烯纜繩-聚酯纜繩-鋼鏈所組成的新型繃緊式系泊系統(tǒng)開展了動力響應和疲勞分析，并將所得的數(shù)值結果與采用鋼鏈-聚酯纜繩-鋼鏈所組成的傳統(tǒng)繃緊式系泊系統(tǒng)進行了比較，發(fā)現(xiàn)新型繃緊式系泊系統(tǒng)可以有