含初始裂纹的复合材料立管接头的断裂研究

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1、中图分类号：TE95单位代码：11414学号：2013214031题目含初始裂纹的复合材料立管接头的断裂研究学科专业机械工程研究方向海洋石油装备工程硕士生吴佩珍指导教师张玉副教授入学时间：2013年9月论文完成时间：2016年5月硕士学位论文独创性声明郑重声明：本硕士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导

2、师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。作者签名－＾：日期：７０＾ｆ导师签名＞：＾日期，：２〇ｌｆ）ｆ）硕士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限ｉ年，解密后适用本授权书。

3、本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书一面同意，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。作者签名Ｉ：如日期平令：导师签名：：（ｊ日期－１－摘要摘要随着水深的增加，传统的钢质立管逐渐难以满足深海油气勘探开发的需求，而具有高的比刚度和比强度、耐腐蚀性能好、抗疲劳能力强及轻量化等优良性能的复合材料逐渐被应用于海洋立管中。然而，由于粘结剂层与被粘结层界面端部奇异应力场的存在，粘结接头成了复合材料立管系统中最薄弱的环节，一般来说粘结接头的实际承载能力低于甚至远低于理论承载能力。一个很重要的因素就是各种粘结界面缺陷的普遍存在。本文从理论

4、和数值计算两方面，对粘结接头应力分布、应力强度因子及裂纹扩展问题进行了研究和探讨：在一阶层合板理论的基础上建立粘结接头分析模型，推导立管粘结接头粘结剂层的应力分布，理论结果与有限元分析结果吻合较好，在此基础上，运用权函数理论，结合片条合成法，推导出含初始裂纹的立管粘结接头在拉伸载荷下的应力强度因子表达式。针对南海1500米水深，利用ABAQUS软件建立立管等效梁模型，获得立管在一年一遇与百年一遇风暴条件下的动态响应。提取整体分析中危险截面的应力分布作为后续分析中局部接头有限元模型的边界条件。利用扩展有限元法，在一年一遇风暴条件下，模拟粘结接头中垂直于双材料界面裂纹的扩展情况，主

5、要研究了弹性模量比与泊松比比值对裂纹扩展角以及扩展方向的影响。建立简化的复合材料立管粘结接头模型，在百年一遇风暴条件下对接头进行应力分析，针对立管接头MCI部位易出现裂纹扩展情况，建立接头局部模型，设置初始裂纹，利用XFEM对裂纹扩展进行预测。关键词：粘结接头；一阶层合板理论；权函数；应力强度因子；扩展有限元-II-ABSTRACTTheFractureResearchofCompositeRiserJointwithInitialCrackABSTRACTWithincreasingofwaterdepth,thetraditionalsteelrisergraduallyw

6、illbedifficulttomeettheneedsofdeepoilandgasexplorationanddevelopment,butthefiberreinforcedcomposite,whichhasanumberofexcellentperformance,suchasthehighspecificstiffnessandspecificstrength,nicecorrosionresistance,fatigueresistanceandlight-weightetc.,isbeingappliedintherisersystem.However,adhe

7、sivejointsinriserpipesarethemostvulnerablepartwheremostfailuresoccur,becausesingularstressfieldsexistattheextremesoftheinterfacebetweentheadhesiveandtheadherend.Generally,thejoint’sactualcarryingcapacityislessthanthetheoreticalcarryingcapacity.Avery