张力腿平台张力筋腱柔性连接结构力学性能分析与试验研究

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1、：密：分类号级ＵＤＣ：编号：工学博士学位论文张力腿平台张力筋腱柔性连接结构力学性能分析与试验研究博士研究生：李松羽指导教师：王立权教授学科、专业工：机械Ｔ程哈尔滨工程大学２０１８年５月分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学博士学位论文张力腿平台张力筋腱柔性连接结构力学性能分析与试验研究博士研究生：李松羽指导教师：王立权教授学位级别：工学博士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年04月02日论文答辩日期：2018年05月19日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertat

2、ionfortheDegreeofD.EngAnalysisandexperimentalstudyonmechanicalpropertiesofTensionLegPlatformtendonflexibleconnectorCandidate:LiSongyuSupervisor:Prof.WangLiquanAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpeciality:MechanicalEngineeringDateofSubmission:April，2018DateofOralExamination:May，201

3、8University:HarbinEngineeringUniversity张力腿平台张力筋腱柔性连接结构力学性能分析与试验研究摘要张力腿平台通过张力筋腱与海底连接，从而约束了张力腿平台升沉方向上运动，并在一定范围内限制其水平方向的运动，这种动态载荷是由张力筋腱及其连接结构承担的，因此，张力筋腱的柔性连接成为张力腿平台研发过程中的关键研究内容之一。论文开展张力筋腱连接结构构型、柔性结构承载能力、柔性结构数值分析与试验方法、柔性结构疲劳性能、张力筋腱安装方法等研究。我国自主开发的张力腿平台具有重要意义。论文以我国自主研发的张力腿平台为研究对象，研究张力腿平台运动载荷和张力筋腱

4、连接结构构型。建立张力筋腱顶部连接结构锁紧机构的力学模型，研究平行卡齿上的载荷分布，并确定最佳平行卡齿数量。确定连接结构锁定机构的最大等效应力和分瓣卡齿与载荷卡环接触反力相对牙型角、齿根厚度、齿顶厚度和分瓣卡齿底面夹角等关键参数的灵敏度。通过响应面法对锁定机构进行优化，以降低最大等效应力，延长连接结构的疲劳寿命，提高连接稳定性。张力筋腱柔性结构是由多层球形受约束橡胶层组成，针对柔性结构的承载能力，提出一种球形受约束橡胶层初始压缩刚度与初始转动刚度的理论计算方法。通过计算分析，确定橡胶材料的泊松比、单层受约束橡胶层的内径、厚度、内外缘偏转角度及形状系数等参数与压缩刚度和转动刚度

5、的相互关系和变化规律。使用有限元仿真进行误差分析，证明这两种刚度的理论方程误差均较小。结合数值计算和力学试验，研究柔性结构受压缩载荷与转动载荷时的力学特性。对丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶和天然橡胶三种橡胶材料开展单轴拉伸、简单剪切、等轴拉伸和体积压缩试验，获取三种橡胶材料的材料参数。使用Mooney-Rivlin、Neo-Hookean和Yeoh三种橡胶本构模型，计算不同层数和不同橡胶材料的柔性结构的压缩刚度和转动刚度。通过对比试验结果，确定最适用于柔性结构的本构模型，研究橡胶层数对转动刚度和压缩刚度的影响。通过橡胶裂纹成核理论和裂纹扩展理论，研究柔性结构的疲劳强度。对制造柔性结构

6、用的丁腈橡胶展开单轴拉伸疲劳试验，确定材料的最大工程主应变-疲劳寿命曲线。以最大工程主应变作为疲劳参数，计算柔性结构裂纹成核寿命。对丁腈橡胶展开变载荷平面拉伸裂纹扩展试验，确定材料的撕裂能-裂纹扩展速率曲线。采用裂纹扩展法计算单轴拉伸疲劳试件的疲劳寿命，验证变载荷平面拉伸裂纹扩展试验的正确性。采用裂纹扩展法，计算柔性结构的裂纹扩展寿命。采用Palmgren-Miner线性疲劳损伤累计法则，计算哈尔滨工程大学博士学位论文承受多种载荷时，柔性结构的疲劳寿命。研究张力腿平台张力筋腱安装方法。通过对比分析，提出适用于我国南海的张力腿平台安装方法。研制张力筋腱支撑浮筒和张力筋腱底部连接

7、结构原理样机。通过张力筋腱安装水池试验，研究张力筋腱支撑浮筒的浮力与充气、排气和摆动角度的关系。提出张力筋腱连接结构柔性结构压缩转动试验方法，研制柔性结构刚度试验装置，验证柔性结构仿真结果。提出张力筋腱连接结构柔性结构疲劳试验方法，研制柔性结构疲劳试验装置，验证柔性结构裂纹扩展疲劳寿命。提出张力筋腱底部连接结构陆地安装试验，通过陆地安装试验验证张力筋腱底部连接结构构型的合理性。提出张力筋腱安装水池试验方法，通过水池试验验证张力筋腱安装方法的合理性。通过对张力腿平台柔性连接技术进行研究，为国产化张力腿平台