陸　超， 李亞軍

(中國艦船研究設(shè)計中心， 湖北 武漢 430064)

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坐底式平臺結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析

陸超， 李亞軍

(中國艦船研究設(shè)計中心， 湖北 武漢 430064)

摘要采用疲勞簡化分析方法和譜分析方法，使用ANSYS軟件對某坐底式平臺進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的校核。根據(jù)作業(yè)場地環(huán)境條件進(jìn)行了詳細(xì)的工況劃分，運(yùn)用熱點(diǎn)應(yīng)力的譜分析法計算對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)部疲勞分析。結(jié)果表明，該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計符合疲勞強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞坐底式平臺疲勞強(qiáng)度譜分析法ANSYS

analysisANSYS

0引言

坐底式海洋平臺由于其設(shè)計建造周期短、造價低廉的優(yōu)勢，在河流和海灣等30 m以下的淺水域以及海床平坦的淺海區(qū)域的油氣勘探開發(fā)作業(yè)中發(fā)揮了重要的作用[1～3]。我國渤海沿岸的勝利油田、大港油田和遼河油田，由于其淺水的海況條件，在開采過程中廣泛使用了坐底式平臺進(jìn)行作業(yè)[4,5]。

由于處在各種不利海況和復(fù)雜交變載荷作用下，平臺結(jié)構(gòu)疲勞破壞是結(jié)構(gòu)失效的重要因素。因此對平臺結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析是十分必要和關(guān)鍵的。根據(jù)中國船級社頒發(fā)的《海上移動平臺入級規(guī)范》2012版規(guī)定[6]：疲勞校核的目的是確保平臺結(jié)構(gòu)在營運(yùn)期間具有足夠的疲勞壽命。疲勞壽命的計算結(jié)果可用作制定平臺在制造和工作期間檢驗(yàn)規(guī)程的依據(jù)。疲勞分析的范圍和方法將取決于平臺設(shè)計中所考慮的預(yù)期作業(yè)模式和區(qū)域。結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計壽命應(yīng)不小于平臺的設(shè)計年限，且不小于20 年。對于可能產(chǎn)生潛在疲勞裂紋的任一焊縫和引起應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)形式均應(yīng)進(jìn)行抗疲勞設(shè)計。必要時，應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)細(xì)部的疲勞分析。對于柱穩(wěn)式平臺，校核部位主要包括以下內(nèi)容：撐桿；撐桿與下殼體、柱體和甲板相連處；主柱與下殼體相連處；主要結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。

目前海洋平臺分析校核中常用的平臺疲勞分析方法主要有疲勞簡化分析方法、隨機(jī)疲勞分析方法以及確定性方法。疲勞簡化分析方法，或稱簡化方法，是用于抗疲勞設(shè)計的初期階段。在確定危險結(jié)點(diǎn)后，需再進(jìn)行隨機(jī)疲勞分析。在簡化方法中對設(shè)計參數(shù)的取用應(yīng)適當(dāng)保守。隨機(jī)疲勞分析方法又稱譜分析方法。隨機(jī)疲勞分析應(yīng)用公認(rèn)的方法和準(zhǔn)則進(jìn)行計算。疲勞分析載荷應(yīng)基于預(yù)期作業(yè)海域或北大西洋長期分布的環(huán)境數(shù)據(jù)資料。載荷響應(yīng)計算考慮的浪向角應(yīng)不小于7 個。確定性方法主要基于經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行疲勞壽命估算，精確性不及隨機(jī)疲勞分析方法。本文主要依托ANSYS軟件，采用疲勞簡化分析方法和隨機(jī)疲勞分析方法對某坐底式平臺進(jìn)行疲勞校核及分析。

1環(huán)境條件

根據(jù)平臺所處海區(qū)每月的波高浪向概率分布，可以統(tǒng)計得出平臺所處海區(qū)全年的波浪方向概率分布，如表1所示[7]。

根據(jù)平臺所處海區(qū)每月的波高和波周期概率分布，可以統(tǒng)計得出平臺所處海區(qū)全年的波高和波周期聯(lián)合概率分布，如表2所示。

表1　平臺所處海區(qū)全年波浪方向概率分布　　　　　　　　　單位：%

表2　平臺所處海區(qū)全年波高和波周期聯(lián)合概率分布　　　　　　　　　　　單位：%

2計算模型建立

2.1平臺數(shù)據(jù)

平臺在空載情況下的重量控制如表3所示。

表3　平臺在空載情況下的重量控制表

2.2計算模型及載荷輸入

本項目中采用ANSYS軟件對坐底式平臺的結(jié)構(gòu)疲勞損傷進(jìn)行計算。根據(jù)原型數(shù)據(jù)建立有限元模型，如圖1所示。其中，船體、沉墊的外殼模型采用Shell281單元建立。Shell281適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)，該單元有8個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有六個自由度，分別為沿節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向的平動及繞節(jié)點(diǎn)X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。Shell281單元具有應(yīng)力剛化及大變形功能，且有強(qiáng)大的非線性功能，可以對截面數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、分析、可視化等操作。由于Shell281單元具備以上特性，因此采用該單元計算平臺立柱與下殼體連接處的熱點(diǎn)應(yīng)力是有效的。對于所有的骨材和肋板，采用Beam188單元建立。

圖1　平臺的有限元模型

平臺上部模塊由于并未在疲勞分析中扮演重要角色，因此在模型中并未體現(xiàn)，但各部分功能模塊的具體重量則按照重量控制報告分別在上部甲板的相應(yīng)位置處予以了模擬，模擬方法采用調(diào)整等效材料密度的方式實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)波浪理論可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)的直徑與波長比值小于2.0時采用Morrison方法計算波浪載荷，據(jù)此對于該平臺立柱的載荷施加可采用基于Morrison理論的水動力計算單元。為便于在計算模型中形成有效的載荷輸入，在所有樁腿模型的中心部位額外設(shè)置了pipe59單元。該類單元是ANSYS軟件中特有的水動力計算單元，通過在單元屬性設(shè)置watertable項即可形成對波浪參數(shù)的輸入。pipe59單元在模型中設(shè)置為所有節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)位置處的Shell281單元所有節(jié)點(diǎn)耦合，已形成有效的載荷傳遞操作，并保證不會對結(jié)構(gòu)整體剛度形成影響。

2.3疲勞損傷評估位置

為確定平臺的疲勞損傷評估位置，首先針對平臺在極端波浪工況條件下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了計算分析。計算結(jié)果顯示，平臺六根立柱與上部沉墊結(jié)合處的應(yīng)力水平最高，并且應(yīng)力在這些位置處表現(xiàn)出很高的應(yīng)力集中水平，如圖2、圖3所示。在對結(jié)構(gòu)主要連接處的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行有限元分析時，其主要側(cè)重點(diǎn)在于生成一個模型，并使該模型給出受焊縫影響的外側(cè)區(qū)域應(yīng)力精度。此模型應(yīng)具備將應(yīng)力外推回到焊趾的精細(xì)網(wǎng)格，以保證熱點(diǎn)應(yīng)力計算的精度。應(yīng)力集中分析的有限元模型對單元類型和網(wǎng)格尺寸通常較為敏感。在減小單元尺寸時，有限元應(yīng)力在不連續(xù)點(diǎn)處會趨于無限大。因此，有必要給單元尺寸設(shè)定一個下限并使用外推到熱點(diǎn)的方法，對不同計算機(jī)程序和用戶的結(jié)果進(jìn)行對比，有一個較為統(tǒng)一的基礎(chǔ)。另一方面，為了正確地得到幾何應(yīng)力增加的情況，使位于“t/2”和“3t/2”(t為板厚)處的應(yīng)力參考點(diǎn)不處于同一單元內(nèi)至關(guān)重要。這意味著板厚數(shù)量級的單元尺寸可用于建模。在焊縫的整個幾何形狀都包括在模型描述中的情況下，如果使用實(shí)體單元模擬，位于熱點(diǎn)附近的單元尺寸必須要減少到板厚的一半[8]。

圖2　平臺結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布

圖3　平臺結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力分析區(qū)

單元應(yīng)力通常是高斯積分點(diǎn)推算出來的。單元類型，做一些外推以便確定代表焊趾位置的應(yīng)力是必要的。為了保存熱點(diǎn)處主應(yīng)力方向的資料，應(yīng)使用分量應(yīng)力以外推。如果用殼單元模擬，且整個焊縫的幾何形狀不包括在模型中，則必須外推到單元交界線上。如果整個焊縫幾何形狀包括在模型中(3D模型)，則外推與焊趾有關(guān)。若使用8節(jié)點(diǎn)殼單元，則熱點(diǎn)可認(rèn)為位于單元交界線上。示例如圖4所示。

圖4　單元模擬示例

據(jù)此，在本項目有限元模型的建立中，對平臺的立柱與下殼體連接處的局部區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，如圖5所示。由于在不同的外部載荷作用方向下，連接處焊縫周圍的應(yīng)力分布將會發(fā)生變化，因此選取平臺立柱與下殼體6個連接處每處的外側(cè)8個點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行計算。圖6為8個熱點(diǎn)的位置示意圖。

圖5　平臺立柱與殼體連接處的局部區(qū)域網(wǎng)格劃分

根據(jù)上述分析結(jié)果，可將平臺結(jié)構(gòu)最終的疲勞分析對象確定為：平臺六根立柱與上部沉墊結(jié)合處。

3簡化疲勞分析

根據(jù)DNVGL-RP-C203[9]的要求，當(dāng)采用簡化

圖6　連接處8個熱點(diǎn)的位置示意圖

疲勞分析時，平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下疲勞損傷要求：

(1)

DNVGL-RP-C203規(guī)范根據(jù)不同管節(jié)點(diǎn)類型推薦了兩種S-N曲線，即WJ曲線和CJ曲線。其中，WJ曲線適用于焊接管節(jié)點(diǎn)，而CJ曲線主要用于澆鑄類型的管節(jié)點(diǎn)。對于這兩種不同類型的管節(jié)點(diǎn)，S-N曲線表達(dá)式中的各參數(shù)取值不同，取值結(jié)果如表4所示。管節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)計S-N曲線可以寫成下式形式：

(2)

式中：N為在應(yīng)力范圍S下預(yù)計發(fā)生破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；k1為一常數(shù)；m為S-N曲線的反斜率。

表4　基礎(chǔ)設(shè)計S-N曲線參數(shù)取值

結(jié)合本項目平臺結(jié)構(gòu)型式，選用WJ曲線進(jìn)行疲勞分析。WJ曲線形式如圖7所示。需要注意的是，這里的S-N曲線是在標(biāo)準(zhǔn)厚度(16 mm)下得到的。因此，在疲勞分析過程中還需要考慮實(shí)際管件厚度對應(yīng)力范圍的影響，并進(jìn)行厚度修正。當(dāng)材料厚度大于標(biāo)準(zhǔn)厚度時，可以按照下式進(jìn)行修正：

圖7　標(biāo)準(zhǔn)厚度(16mm)下S-N曲線

(3)

式中：tref為標(biāo)準(zhǔn)厚度(16 mm)；S為實(shí)際應(yīng)力范圍；S0為S-N曲線中標(biāo)準(zhǔn)厚度下的應(yīng)力范圍；t是材料厚度。依據(jù)上述S-N曲線計算得到的累積疲勞損傷還應(yīng)乘以5.0的安全系數(shù)。

根據(jù)平臺所處海區(qū)每月的波高浪向概率分布，可以統(tǒng)計得出平臺所處海區(qū)全年的平均跨零周期為5.2 s，對應(yīng)的波高為2.0 m。對上述的平臺模型進(jìn)行該波浪條件下的瞬態(tài)動力分析，可得六個計算位置處的應(yīng)力分布情況(見圖8)和波動情況(18.5 MPa)。

圖8　簡化疲勞分析熱點(diǎn)應(yīng)力分布

根據(jù)以上結(jié)果可確定WJ曲線的參數(shù)m為3，Gama函數(shù)取值根據(jù)DNVGL-RP-C203要求確定為6.0，將18.5 MPa的應(yīng)力波動范圍帶入上述簡化疲勞校核公式(式1)中，可得到簡化評估的總損傷比為：D=0.66<1.0。據(jù)此，簡化疲勞分析結(jié)果表明，平臺結(jié)構(gòu)的疲勞壽命滿足設(shè)計要求。

4波浪譜疲勞分析

4.1計算工況

根據(jù)第3章中給出的不同波高、波周期以及波浪方向設(shè)定不同的疲勞計算工況。共計算8種不同的波浪方向(即N、EN、E、ES、S、WS、W、WN分別表示北、東北、東、東南、南、西南、西以及西北方位)，每個方向下包含40種不同的波高波周期組合，總計320個計算工況。平臺的坐向及6根立柱的編號如圖9所示。

圖9　平臺坐向及立柱編號示意圖

4.2波浪譜疲勞分析

在各波浪疲勞分析工況中，選取Jonswap譜描述波浪能在頻域的分布情況。

由上一節(jié)得到的波高譜通過傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換，可以得到結(jié)構(gòu)各連接處的應(yīng)力波動范圍響應(yīng)譜：

(4)

式中：Sηη(f)是波高功率密度函數(shù)；T(f)是應(yīng)力范圍傳遞函數(shù)。

為確定結(jié)構(gòu)各連接處應(yīng)力范圍響應(yīng)譜與波高譜之間的傳遞函數(shù)T(f)，使用ANSYS有限元軟件對坐底式平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動力分析，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)各連接處的熱點(diǎn)應(yīng)力范圍。

對于上一節(jié)得到的應(yīng)力范圍響應(yīng)譜，其n階譜矩：

(5)

應(yīng)力范圍標(biāo)準(zhǔn)差：

(6)

應(yīng)力響應(yīng)有效頻率：

(7)

結(jié)構(gòu)連接處的應(yīng)力范圍歷程可假定是一個窄帶高斯過程，其峰值服從瑞利分布。由式(6)確定的應(yīng)力范圍標(biāo)準(zhǔn)差可得瑞利分布概率密度函數(shù)p(σr)：

(8)

該函數(shù)曲線所圍總面積為1。其中，對于大于5倍標(biāo)準(zhǔn)差的應(yīng)力范圍，其出現(xiàn)概率可以忽略。對于5倍標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)的應(yīng)力范圍，可將其劃分為更小的應(yīng)力范圍區(qū)域，用各分塊應(yīng)力范圍均值代表該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力范圍值。各區(qū)域的出現(xiàn)概率與曲線下所圍頻帶面積相對應(yīng)，第i個應(yīng)力范圍區(qū)域的出現(xiàn)概率為

(9)

在波浪疲勞分析工況j下，第i個應(yīng)力范圍區(qū)域的年循環(huán)次數(shù)為

(10)

式中：右邊第一個常數(shù)是一年中作業(yè)時間，單位為s；P%是疲勞工況j的年出現(xiàn)概率；P(σri)是第i個應(yīng)力范圍區(qū)域的出現(xiàn)概率，fe是疲勞工況j的應(yīng)力響應(yīng)有效頻率。

將各波浪疲勞分析工況下各應(yīng)力范圍區(qū)域的熱點(diǎn)應(yīng)力范圍和年循環(huán)次數(shù)代入S-N曲線中，即可求得該應(yīng)力范圍區(qū)域的年疲勞損傷。在波浪疲勞分析中選用API RP WSD[10]規(guī)范推薦的管節(jié)點(diǎn)S-N曲線。

由各波浪疲勞分析工況下，各應(yīng)力范圍區(qū)域的年循環(huán)次數(shù)和通過S-N曲線計算得到的臨界循環(huán)次數(shù)，可求得結(jié)構(gòu)各連接處的年累積疲勞損傷Df：

(11)

式中：nij是疲勞分析工況j下第i個應(yīng)力范圍區(qū)域的年循環(huán)次數(shù)；Nij是由S-N曲線計算得到的該應(yīng)力范圍的臨界循環(huán)次數(shù)。將兩者在不同疲勞工況和不同應(yīng)力范圍下的比值相加，就得到年累積疲勞損傷Df。

在周期性的波浪載荷作用下，平臺立柱與下殼體各連接處的疲勞壽命Tf即為上述年累積疲勞損傷的倒數(shù)：

(12)

4.3校核結(jié)果

坐底式平臺結(jié)構(gòu)的波浪譜疲勞分析結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，平臺的最大累計疲勞損傷出現(xiàn)在3號和4號立柱與沉墊的結(jié)合位置，最小疲勞壽命分別為95年和96年。

表5　波浪譜疲勞分析結(jié)果

續(xù)表5　波浪譜疲勞分析結(jié)果

5總結(jié)

經(jīng)過簡化疲勞分析的總體估計，以及波浪譜疲勞分析的多工況熱點(diǎn)應(yīng)力計算，選取的6個立柱與沉墊結(jié)合處的熱點(diǎn)應(yīng)力疲勞壽命滿足平臺設(shè)計壽命要求，該部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計對于疲勞強(qiáng)度是合理的。

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Analysis on Fatigue Strength of Bottom Supported Platform

LU Chao, LI Ya-jun

(China Ship Research and Design Center, Wuhan Hubei 430064, China)

AbstractThe check of structural fatigue strength of bottom supported platform is accomplished based on simplified fatigue analysis method and spectral-based fatigue analysis method with the help of ANSYS. Detailed working conditions are arranged in accordance with local environmental conditions. Fatigue analyses of key joints are carried on with the use of spectral-based fatigue analysis for hot spots. The results show that the fatigue life of the structure satisfies the design strength request.

KeywordsBottom supported platformFatigue strengthSpectral-based fatigue

中圖分類號P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡介：陸超(1981-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楹Ｉ辖Y(jié)構(gòu)物設(shè)計評估。