سکوهای حفاری نیمه شناور معمولا در دریاهای عمیق به منظور انجام عملیات حفاری اکتشافی نفت و گاز طراحی شده اند. با توجه به هزینه بالای نگهداری و تعمیر سکوها، دقت بیشتری برای تحلیل سازه ها ضروری است. سکوهای حفاری نیمه شناور معمولا دارای 4 ستون می باشند که به دو عضو مهاربند متصل می شوند. در این پژوهش، به بررسی ضریب شدت تنش مود اول ترک محیطی نیم بیضوی در سطح خارجی مهاربند پرداخته می شود. باتوجه به بحرانی تر بودن مقطع میانی و به تبع آن خطرناکتر بودن موقعیت ترک برای رشد و وامانده شدن مهاربند، ترک نیم بیضوی بصورت محیطی در سطح خارجی مهاربند در نظر گرفته می شود. این عضو استوانه ای شکل بوده و دارای قطر 2 متر و ضخامت 30 میلیمتر می باشد. تحلیل مسئله با استفاده از مدلسازی سه بعدی اجزاء محدود انجام می شود. در ابتدا بر اساس معادلات ترموالاستیسیته نیمه کوپل، میدان تنش در استوانه ای تحت بارهای حرارتی و مکانیکی تعیین می گردد. سپس یک ترک محیطی نیم بیضوی در جدار خارجی استوانه در نظر گرفته می شود. مدلسازی برای 25 هندسه مختلف ترک در نرم افزار آباکوس انجام شده، سپس ضرایب شدت تنش نقاط عمقی و سطحی ترک نیم بیضوی به عنوان نقاط بحرانی ترک برای سه بارگذاری مرجع یکنواخت، درجه یک و درجه 2 بر روی جبهه ترک استخراج می شود. با استفاده از نتایج ضریب شدت تنش برای نقطه عمقی و سطحی و برازش تابع مناسب بر این ضرایب، تابع وزن مسئله برای نقاط عمقی و سطحی ترک بدست می آید. با استفاده از میدان تنش ترموالاستیسیته و تابع وزن استوانه ترکدار، روابط صریح و بسته ضریب شدت تنش برای نقاط سطحی و عمقی ترک ارائه می گردد. اختلاف نتایج ضریب شدت تنش حاصل از تابع وزن پیشنهادی با نتایج ضریب شدت تنش حاصل از روش اجزاء محدود عموما کمتر از 1% میباشد. تست کشش و رشد ترک خستگی بمنظور تعیین خواص مکانیکی عضو مهارکننده و تعیین ثوابت رابطه پاریس طبق استانداردe-647 انجام می شود. رشد ترک با استفاده از روابط صریح ضریب شدت تنش و الگوریتم رشد ترک شبیه سازی می-گردد. آنگاه تعداد سیکل لازم برای واماندگی عضو در نسبت های مختلف طول ترک بدست میآید.

وجود منابع عظیم نفتی در حوزه ی دریای خزر و ضرورت استخراج و بهره برداری از حوزه نفتی ایران که در قسمت آب های عمیق این دریا واقع شده، استفاده از سکوهای حفاری نیمه شناور را الزامی می نماید. به علت اهمیت استخراج مداوم نفت از این سکوها تعطیلی سکو به علت خرابی و تعمیرات می تواند باعث هدر رفتن مقدار زیادی از سرمایه های ملی شود. برای جلوگیری از این خرابی ها شناسایی اعضای بحرانی سکو از دیدگاه تحمل بارهای وارده امری ضروری می باشد. نخستین گام در تحلیل تنش و کرنش در کل سکو محاسبه نیروهای هیدرودینامیکی وارد بر سکو می باشد. لذا در این پروژه ابتدا برای صحت سنجی تحلیل هیدرودینامیکی از سه کار تحقیقاتی که بر روی یک سکوی اسپار انجام شده بود استفاده می شود. سپس پس از اطمینان از روند تحلیل هیدرودینامیکی به محاسبه نیروهای وارد بر سکوی حفاری نیمه شناور امیرکبیر ناشی از امواج دریا، جریان دریایی و باد با استفاده از تئوری تفرق پرداخته می شود. با توجه به اهمیت نیروی وارده از طرف امواج، بازه وسیعی از امواج با مشخصات متفاوت و زوایای برخورد متفاوت در این پایان نامه مورد بررسی قرار می گیرند و نمودارهایی ارائه می گردد که با استفاده از آنها می توان نیروی وارد بر سکو ناشی از امواج را برای شرایط مختلف محیطی دریای خزر تعیین نمود. سپس با توجه به نیروهای محاسبه شده به تعیین توزیع تنش و کرنش در کل سکو و شناسایی اعضای بحرانی می پردازیم. با توجه به تحلیل های انجام شده، محل اتصال ستون با پانتون سکو به عنوان قسمت بحرانی در کل سکوی حفاری نیمه شناور امیرکبیر معرفی می شود. همچنین برای بررسی احتمال وقوع پدیده تشدید در سکو، فرکانس های طبیعی سکو نیز تعیین و با فرکانس بارهای اعمالی مقایسه می گردند و محرز می گردد پدیده تشدید سکوی امیرکبیر را تهدید نمی کند.

با توجه به اهمیت و نقش انرژی در رفاه، آسایش و زندگی عصر حاضر و همچنین وجود منابع عظیم سوخت¬های فسیلی در اعماق دریاها، اهمیت سکوهای حفاری مناسب از جمله سکوی نیمه¬شناور مبرهن و آشکار می¬گردد. یکی از آنالیزهای مهمی که باید در طراحی سازه¬های دریایی مورد بررسی قرار ¬گیرد، تحلیل خستگی قطعات آن سازه می¬باشد. وجود بارهای تناوبی امواج، جریانات دریایی و باد در محیط دریا موجب بروز پدیده خستگی در سکوهای دریایی می¬شود. معمولا خستگی در جوش اتصالات یکی از عوامل مهم و شایع واماندگی سازه¬های دریایی می¬باشد. به علت وجود تمرکز تنش بالا در محل جوش اتصالات، بروز چنین رفتاری قابل توجیح است. در این پایان¬نامه ابتدا اتصال مهارکننده به ستون در نرم افزار abaqus و با در نظر گرفتن پیشنهادات استاندارد dnv مدل می¬گردد. اتصال تحت نیروها و لنگرها در جهات مختلف تحلیل و ضرایب تاثیر بار برای بارگذاری¬های مختلف ارائه می¬گردد. با ترکیب این ضرایب با تاریخچه نیروها و لنگرها، تاریخچه میدان تنش برای 8 حالت موج بدست می¬آید. برای صحت سنجی مدل و روند کار از تحقیق انجام شده بر روی سکوی نیمه¬شناور توربین بادی در دریای شمال استفاده می¬شود. پس از تعیین میدان تنش اتصال، به تحلیل خستگی آن پرداخته می¬شود. از آنجاکه نیروهای امواج باعث ایجاد تنش¬های چند محوره در قسمت جوش می¬شوند، ابتدا 4 روش پیش¬بینی عمر خستگی چند محوره شامل 1) روش بیشینه بازه تنش اصلی، 2) مدل سینس، 3) نمودار اصلاح شده وهلر و 4) مدل فیندلی با نتایج آزمایشگاهی یک اتصال ورق-لوله موجود در مراجع مقایسه می¬شوند. سپس با توجه به کمتر بودن جذر میانگین مربعات خطا برای مدل فیندلی، از این روش برای تحلیل خستگی اتصال مهارکننده به ستون نیز استفاده می¬گردد. از آنجاکه پیچیدگی نیروهای موج باعث ایجاد تنش با دامنه¬های متغیر می¬شود، از روش شمارش چرخه جریان بارانی و تجمع آسیب پالمگرن-ماینر استفاده می¬شود. به منظور انجام محاسبات از جمله تحلیل خستگی چند محوره و شمارش چرخه جریان بارانی یک کد در نرم افزار متلب ارائه و محاسبات به کمک این کد انجام می¬گیرد. در نهایت عمر اتصال، 23 سال پیش¬بینی می¬شود. کلمات کلیدی: سکوی حفاری نیمه¬شناور، اتصالات لوله¬ای، خستگی چند محوره، خستگی اتصالات جوشی، مدل فیندلی، عمر.

در این پژوهش، ماتریس تابع وزن دوبعدی ترک های زیرسطحی بیضوی تحت توزیع تنش های عمودی و برشی استخراج و ضرایب شدت تنش مود ترکیبی این ترک ها با استفاده از آن محاسبه شده است. ترک های زیرسطحی از مهمترین و خطرناک ترین ترک های مشاهده شده در سازه های مکانیکی به ویژه تحت شرایط خستگی تماس غلتشی می باشند. در مطالعات خستگی و شکست، روش تابع وزن به عنوان روشی دقیق و سریع در محاسبه ضرایب شدت تنش ترک ها تحت بارگذاری ها مختلف، مورد توجه محققان می باشد. ترک مفروض در این رساله بیضوی و موازی با سطح آزاد یک نیم فضای الاستیک است. در استخراج توابع وزن دوبعدی مود ترکیبی، از تحلیل پارامتریک اجزامحدود استفاده شده است. وابستگی توابع وزن به دست آمده برای تمام نقاط جبهه ترک، شامل ضریب منظر و نسبت عمق به طول آن می باشد. ترک های زیرسطحی با توجه به نامتقارنی هندسی نسبت به سطوح خود، دچار کوپلینگ مودهای شکست می شوند و تحت توزیع تنش کششی و یا برشی هر سه مود شکست را تجربه می کنند. برای لحاظ نمودن اثر این پدیده، شکل ماتریسی برای تابع وزن اختیار شده است، به گونه ای که تابع وزن ترک زیرسطحی بیضوی دارای 9 مولفه می باشد. ماتریس تابع وزن به دست آمده، برای محاسبه ضرایب شدت تنش ترک تحت توزیع تنش های عمودی و برشی دوبعدی خطی و غیرخطی پیچیده استفاده و صحه گذاری شده است. نهایتاً، با استخراج فشار بیضی گون هرتز چرخ و ریل سامانه ریلی ایران، ضرایب شدت تنش مود ترکیبی ترک زیرسطحی بیضوی تحت آن با استفاده از ماتریس تابع وزن مورد محاسبه قرار گرفته است. براساس نتایج به دست آمده، دقت ماتریس تابع وزن در محاسبه ضرایب شدت تنش مود ترکیبی ترک های زیرسطحی بسیار خوب و سرعت آن در مقایسه با روش های معمول مانند اجزامحدود بیش از 60 برابر می باشد. همچنین لحاظ نمودن تماس بین سطوح ترک در توزیع تنش های فشاری تأثیر بسیار زیادی بر ضرایب شدت تنش دارد که تابع وزن به دست آمده قادر است این تماس را با دقت خوبی لحاظ نماید.