本科生研究训练计划项目(SRTP)开题报告VIP

本科生研究训练计划项目（SRTP）开题报告海洋立管受荷过程中磁导率随应力变化关系的研究项目指导：孟凡顺（教授）

项目组成员：张金伟（本科生）张明（本科生）王江杰（本科生）

2009年4月海洋立管受荷过程中磁导率随应力变化关系的研究1.选题的背景及意义2.目前的研究现状3.研究内容和方法4.支撑条件分析5.创新点6.进度安排7.经费使用计划8.项目组成员情况与分工1.选题的背景及意义1.1选题背景海洋立管是海上油田开发系统中一个重要的基础结构，是连接海底系统与海上平台必须的传输管道。海洋立管分顶部预紧立管、柔性立管、钻井立管，按材质又可分为铝质立管、铁质立管、钛质立管和复合材料立管。海洋立管工作时处在大片复杂的海洋力学环境中，边界主要靠上部平台、下部海底设备以及浮箱，自身主要靠变形后引起的轴向应力和径向应力维持稳定。目前对海洋立管系统设计标准中比较复杂的设计理论和关键技术研究，已取得了一些重要的研究成果。但由于海洋环境的复杂性以及长期的作业生产等诸多因素的影响，将使立管的局部产生超过设计标准的疲劳极限，一旦损坏就会造成巨大的损失，因此开展海洋立管系统的安全性、稳定性研究是十分必要的。

1.2选题意义

金属结构的各种微观缺陷和局部应力集中，是导致机械结构和设备失效乃至发生事故的重要原因，并且疲劳损伤的发展往往也与应力集中密切相关。各种铁制构件加工后，即使构件设计合理，材料内部也不可避免地存在着应力，而在额定负荷下工作，也有可能因为载荷与内应力叠加，导致构件产生二次变形和应力重新分配，从而降低构件的刚性和尺寸的稳定性，引起事故。因此，对钢结构内应力的改变状况，特别是对导致损伤的临界应力改变状况进行测量与分析，是评价设备零部件结构强度、工作安全性和寿命的一个重要依据，进而防止重大事故发生，具有重大的社会效益和经济效益。海洋立管受荷过程中电导率随应力变化关系的研究是开展海洋立管系统的安全性和稳定性研究的重要部分。分析清楚电导率随应力的变化关系就可以通过测量立管的电磁学特性达到应力检测的目的。2.目前的研究现状应力的评定可分为预见性计算方法和试验方法。预见性计算方法，目前尚处于开发性研究阶段。试验法测定应力，目前按其对被测构件是否具有破坏性，又将其分为有损检测和无损检测。有损检测是采用局部切割分离的机械加工方法使应力局部释放，并根据由此产生的变形求得应力，如盲孔法、截条法和剥层法等；无损检测则是利用材料的物理性质与应力应变的关系，通过对易于检测的物理性质来评估结构或构件的应力状况，如利用电阻应变效应测应力法、x光检测法、巴克豪森噪声法、磁声发射法和超声波法等。铁磁材料和亚铁磁材料由于磁化状态的改变其材料尺寸都要发生微小的变化，这种现象被称为磁致伸缩效应。反之，铁磁材料在如拉力、压力和扭转力等外力作用下，其材料内部的磁畴结构发生变化，导致磁特性发生相应变的现象被称为逆磁致伸缩效应。近几年发展起来的金属磁记忆(MMM)检测技术和磁各向异性检测技术就是利用铁磁材料的逆磁致伸缩效应对铁磁材料的应力进行无损检测。3.研究内容和方法本课题研究海洋立管受荷过程中电导率与应力变化的关系，主要从海洋立管材料的伏安特性出发，考虑到海洋立管受到外部作用力，其内部产生应力，从而发生应变，引起材料内部变形，这会导致材料的导电特性（电阻）发生变化。在不同的应力条件下，材料的电导率就会不同。本项研究将分三部分完成：

1、理论计算:用有限单元法推导海洋立管在受外界环境荷载条件下的振动微分方程

2、数值模拟:根据海洋立管的侧向振动微分方程，利用ANSYS软件模拟海洋立管受荷过程中应力变化的几何模型

3、实验室实验:通过电测实验，得出海洋立管电导率随应力变化的关系。4.支撑条件分析4.1研究基础

本项研究是项目指导孟凡顺教授在研国家“863”项目《海洋立管的无损检测关键技术研究》的一部分。孟凡顺教授在计算地球物理领域利用井间地震与井间电磁的联合反演技术独具特色。他在大庆油田公司资助课题“利用磁测技术检测套管应力分布”的研究过程中积累了丰富的经验，可以为我们提供很好的指导。并且他在理论分析和实验的基础上，综合分析比较了各种测试技术，提出目前用磁测技术检测套管应力的方法的有效性及可行性，为应力检测的电导率法提供了坚实的理论基础。4.2实验室支撑本课题依托中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室，实验室内有动力学实验设备以及材料力学实验设备等。有各种测井仪器，有模型实验水槽等。并有很多专业软件资源，如有限元分析软件Ansys。主要设备和仪器有：１、大型水槽：长60米，宽1.5米，水深75厘米；可模拟海洋环境的立管应力检测２、动态电阻应变仪、二分力矩式测力传感器３、全套微机辅助测试系统，含微机4台，打印机2台，12位16通道HP6070型A/D模拟数字转换仪及有关数字信号分析软件等

4、材料力学万能试验机，土工直剪仪、动三轴仪等5.创新点近几年发展起来的金属磁记忆(MMM)检测技术和磁各向异性检测技术是利用铁磁材料的逆磁致伸缩效应对铁磁材料的应力进行无损检测。传统检测方法只能用于探出已产生的缺陷，而应力集中往往早于缺陷产生之前出现，金属磁记忆方法适用于早期诊断，可预报可能产生缺陷的危险区域，即最大应力和应变集中区域，为及时采取措施防止其破损和事故的发生提供依据。目前利用磁记忆方法进行诊断的基本定性准则，是当铁磁性金属结构表面某处磁场强度法向分量在零值线上下剧烈变化而同时切向分量出现最大值时，表示在该处有应力集中但不能从中得出应力集中的程度。海洋立管受荷过程中电导率随应力变化关系的研究创新之处在于运用计算机和数学手段，建立海洋立管加载模型，结合实验，合理利用学校的实验室资源，在实践中学习和创新，研究成果将为开发出适于海洋立管的应力检测仪器提供依据，以对立管应力状况进行动态的跟踪，及时发现不安全隐患，达到提供预测、延长立管使用寿命的目的。6.进度安排第一阶段（2009/5---2009/7）：主要是搜集相关资料并进行理论知识的学习，熟练掌握ANSYS软件。运用有限元算法推导海洋立管在受外界环境荷载条件下的振动微分方程。第二阶段（2009/7---2009/8）：利用ANSYS软件建立海洋立管受荷过程中应力变化的几何模型。第三阶段（2009/8---2009/12）：在实验室内，通过实验得出电测数据，利用电测实验数据，得出海洋立管电导率随应力变化的关系。第四阶段（2009/12---2010/4）：整理实验数据，完成结题报告。在整个研究过程中，我们会一直加强专业知识的学习来面对和克服可能会遇到的种种问题。7.经费使用计划序号支出项目金额（元）依据或理由1资料费800校图书馆没有相关的书籍，需要购买资料。2器材费1500实验过程中需要添置实验室不具有的材料3其它700成果整理过程中需要打印、存储、制作音像等合计30