劉力吉（渤海裝備遼河重工，遼寧　盤(pán)錦　124010）

海洋鉆井平臺(tái)抗冰結(jié)構(gòu)的疲勞分析

劉力吉（渤海裝備遼河重工，遼寧盤(pán)錦124010）

由于陸地油氣資源的日趨緊張，海洋蘊(yùn)含著豐富油氣資源，海冰作用對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷是很嚴(yán)重的，所以對(duì)海洋鉆井平臺(tái)抗冰結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析顯得十分重要。希望通過(guò)本文，對(duì)海洋鉆井平臺(tái)冰激疲勞分析方面的研究提供一些可借鑒之處，對(duì)抗冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評(píng)估方面的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

疲勞分析；壽命分析

1　模型介紹

由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，附屬設(shè)施比較多，在建立結(jié)構(gòu)有限元模型過(guò)程中一般都要對(duì)真實(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些必要的簡(jiǎn)化，但是結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化必須保證結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的真實(shí)性，即在結(jié)構(gòu)上要保證主體結(jié)構(gòu)幾何形狀的真實(shí)性，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性上要保證結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和振型的真實(shí)性。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化主要集中上部質(zhì)量和樁基的處理上。如果平臺(tái)上部設(shè)備的放置位置和重量已知，可以按照重量的實(shí)際分布處理，但在一般情況下，也可以假定平臺(tái)上部質(zhì)量均勻分布在整個(gè)甲板面積上。對(duì)于樁-土相互作用，可以按照有關(guān)規(guī)范按照等效樁來(lái)考慮，等效樁長(zhǎng)度取6倍樁徑。

冰荷載的大小會(huì)直接影響疲勞壽命分析的結(jié)果，冰疲勞環(huán)境的建立，冰疲勞環(huán)境就是冰疲勞環(huán)境參數(shù)長(zhǎng)期的概率分布，因?yàn)橛绊懕榈囊蛩乇姸啵瑥?fù)雜多變，目前難以像波浪環(huán)境一樣利用短期的觀測(cè)就可以推斷出長(zhǎng)期冰參數(shù)的概率分布，同時(shí)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，快速準(zhǔn)確的計(jì)算出冰荷載作用下的熱點(diǎn)應(yīng)力也是十分重要的。

利用ANSYS軟件建立其有限元模型，上部用mass21模擬；導(dǎo)管架用實(shí)際尺寸由管單元pipe模擬；工字梁用梁?jiǎn)卧猙eam189模擬；入土的部分樁用梁?jiǎn)卧猵ipe16模擬，導(dǎo)管架內(nèi)的樁用增加導(dǎo)管架厚度近似，樁-土的相互作用由等效樁模擬，阻尼比為0.025，平臺(tái)實(shí)測(cè)基頻為1.4（圖1）。

圖1　有限元模型　

對(duì)于抗冰平臺(tái)的冰激振動(dòng)，振動(dòng)的能量大部分集中在結(jié)構(gòu)的基頻上，在高頻上能量分布較少，同時(shí)復(fù)雜結(jié)構(gòu)高頻計(jì)算結(jié)果精度較差，因此一般在動(dòng)力響應(yīng)分析中，只取前幾階

頻率就可以保證足夠的精度，這里計(jì)算取前10階振型。結(jié)構(gòu)的阻尼比取實(shí)測(cè)值0.025。

將直立結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的冰力函數(shù)和隨機(jī)振動(dòng)的冰力譜，通過(guò)ANSYS疲勞分析軟件的瞬態(tài)分析和譜分析，作用在節(jié)點(diǎn)‘792’，‘796’兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，求出結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)的應(yīng)力幅值。列舉幾組，通過(guò)軟件分析得到應(yīng)力變化的圖譜，通過(guò)分析該結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)單元為‘809’，節(jié)點(diǎn)為‘97’（圖2）。

圖2　管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)位置

2　冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)上的破壞形式

疲勞冰荷載指的是對(duì)海洋鉆井平臺(tái)進(jìn)行疲勞分析時(shí)的動(dòng)冰荷載，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，冰荷載形成的機(jī)理和形式是不同的。冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生擠壓破壞；作用在錐體結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生彎曲破壞。

疲勞冰荷載指的是對(duì)海洋鉆井平臺(tái)進(jìn)行疲勞分析時(shí)的動(dòng)冰荷載，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)

冰荷載形成的機(jī)理和形式是不同的，出現(xiàn)最多的是擠壓破壞。擠壓破壞可以分為三種，分別為：準(zhǔn)靜態(tài)破壞，自激振動(dòng)，隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。

（1）準(zhǔn)靜態(tài)破壞

低冰速時(shí)為準(zhǔn)靜態(tài)破壞，冰速（V＜2cm/s時(shí)），在疲勞分析時(shí)不考慮。

（2）自激振動(dòng)

中冰速時(shí)為自激振動(dòng)，冰速（2cm/s＜V≤4cm/s）會(huì)發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的現(xiàn)象，此時(shí)時(shí)冰力破碎的頻率、相位與結(jié)構(gòu)振動(dòng)的頻率、相位一致，出現(xiàn)頻率鎖定現(xiàn)象，這樣會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。有時(shí)冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，在結(jié)構(gòu)疲勞分析中考慮冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。

（3）隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)

快冰速時(shí)為隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)，冰速（V≥5cm/s）冰速進(jìn)一步加快時(shí)，結(jié)構(gòu)由穩(wěn)態(tài)振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)振動(dòng)。因?yàn)橹绷⒔Y(jié)構(gòu)在快速冰力的擠壓破壞產(chǎn)生的強(qiáng)迫隨機(jī)振動(dòng)，占絕大數(shù)工況，所以應(yīng)在疲勞分析中考慮。

（4）冰厚小于10cm時(shí)的平整冰，冰速較慢的冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)上，此時(shí)發(fā)生彎曲破壞。當(dāng)冰層較薄，冰的結(jié)構(gòu)不均勻時(shí)，冰荷載作用在直立結(jié)構(gòu)上時(shí)還會(huì)出現(xiàn)屈曲破壞。彎曲破壞和屈曲破壞很相近，發(fā)生這兩種疲勞破壞時(shí)，作用在結(jié)構(gòu)上的冰力周期長(zhǎng)，幅值大，冰層較薄，冰的破碎長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，兩種破壞形式都有局部擠壓破碎過(guò)程。

3　結(jié)語(yǔ)

冰激振動(dòng)對(duì)海洋平臺(tái)的壽命影響很大，不可輕視。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)是直立結(jié)構(gòu)上發(fā)生的最嚴(yán)重的振動(dòng)情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最大。由于前人在對(duì)冰荷載作用直立結(jié)構(gòu)時(shí)的疲勞壽命估計(jì)時(shí)，忽略了穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的情況，但因時(shí)間的關(guān)系，本文未考慮錐體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估計(jì)，希望本文對(duì)以后在海冰情況下，抗冰結(jié)構(gòu)疲勞壽命的估計(jì)有所幫助。

海洋開(kāi)發(fā)的潛力巨大，大量的礦藏、油氣的開(kāi)采都離不開(kāi)海洋平臺(tái)的運(yùn)用。我國(guó)更是海洋大國(guó)，只有我們掌握頂尖的海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)，我們的資源才會(huì)得到合理的開(kāi)采，因此進(jìn)一步加強(qiáng)開(kāi)展海洋平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)研究是十分必要的。

劉力吉（1989-），男遼寧盤(pán)錦人助理工程師本科主要從事海洋鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)工作。