基于谱分析的自升式平台疲劳强度评估方法研究

1、基于谱分析的自升式平台疲劳强度评估方法研究 摘 要：疲劳损伤是大型海洋平台结构破坏的主要模式之一，在结构设计阶段进行疲劳强度安全性评估是十分必要的。本文以一自升式平台为例，通过对其疲劳载荷进行直接计算，基于s-n曲线和miner疲劳累计损伤机理，采用谱分析方法对典型节点进行了疲劳强度分析。本文方法为自升式平台的疲劳强度评估提供重要的参考意义。 关键词：自升式平台；疲劳；谱分析；有限元 中图分类号：u661.43 文献标识码：a 1 引言 疲劳破坏是海洋工程结构主要的失效模式1之一，海洋环境的复杂性、随机性导致自升式平台的设计载荷往往得不到合理的考虑。此外，自升式平台长期受环境载荷的持续作用，其

2、结构中产生大小交替变化的应力，极易发生疲劳破坏，从而威胁整个平台的安全。因此，对自升式平台进行准确合理的疲劳计算是十分必要的。 自升式平台工作状态下受到风、浪、流等环境载荷作用，其中波浪载荷是主要的疲劳载荷，通常采用morison公式计算2。自升式平台工作海域水深较大。结构自身柔性也较大，因而平台结构的固有周期也将增加，导致结构与海洋环境共振的可能性随之增大。abs规范3规定：工作水深100m以上的自升式平台须进行动力分析。因此，对自升式平台结构而言，动力效应对结构疲劳强度的影响不可忽略。 海洋工程的疲劳问题主要基于s-n曲线和miner线性累积损伤理论的疲劳累积损伤分析方法，可进一步分为疲劳

3、设计法和疲劳分析法两种4：前者即为疲劳许用应力法，诸多船级社规范常采用此类方法；后者又分为简化分析法和谱分析法，在海洋工程疲劳可靠性分析的所有方法中，谱分析法被认为是最精确的。谱分析方法概念清晰，物理意义明确，这种方法避免了得到“简化疲劳载荷”与“简化应力公式及其组合”过程中出现的各种问题，但也存在计算工作量大、技术要求高的问题，各船级社也几乎没有在其规范中提出基于谱分析的疲劳评估直接计算法的完整解决方案，因此提出一套完整的基于谱分析的疲劳强度评估方法具有重要的工程意义。 目前国内外已有很多学者在船舶与海洋工程领域对结构疲劳问题进行了研究：guedes soares5研究了船舶结构疲劳设计中波

4、浪诱导载荷的不确定性的长期模型，并提出了疲劳长期weibull分布的参数经验公式；tao xu6曾对船舶与海洋工程结构的疲劳强度、疲劳载荷以及疲劳可靠性等方面的新发展和存在的问题进行了较为全面的介绍；xiaoping h7提出了实用于工程应用的变幅值载荷作用下的疲劳增长模型，可方便用于海洋工程和船舶的疲劳评估；彭程8采用模态叠加法对自升式平台进行了瞬态动力分析，并应用“设计波法”和“谱分析法”对平台的部分关键构件进行了疲劳分析；竺一峰9采用谱分析的理论并根据api推荐的曲线，应用miner法则，预测了自升式桩腿管节点疲劳损伤。 本文以一自升式平台为例，采用morison公式对随机疲劳载荷进行直

5、接计算，并基于s-n曲线和miner疲劳累计损伤机理，采用谱分析方法对典型节点进行了疲劳强度分析，以得到一种对海洋工程具有参考意义的疲劳强度评估方法。 2 谱分析法基本原理 基于谱分析的疲劳评估直接计算是相对简化分析方法而言的，谱分析法直接由波浪载荷计算程序得到疲劳载荷，进而通过结构有限元分析得到疲劳应力响应和应力范围，最后基于s-n曲线和miner疲劳累计损伤机理计算平台寿命期的疲劳损伤，对结构疲劳强度进行评估。其疲劳评估的过程见图1。 进行平台有限元建模时，单元和网格的划分按abs直接计算指南的有关规定进行：各类板、壳构件，强框架、纵桁、平面舱壁的强桁材等尽量用四节点板壳单元模拟，网格形状

6、尽量接近正方形，部分过渡区域的板结构采用三角形单元模拟；对于节点校核部位以及角隅应力集中处采用局部模型细化，细化网格采用四边形单元，细长比尽量接近于1；取泥面以下3m铰支作为平台边界条件，同时将该水平面内其余点用mpc与之相关联，结构模型见图3。 4.3 结果分析 本文按照规范规定，计算节点的疲劳强度时s-n曲线采用class t abs offshore s-n curves曲线。由于疲劳载荷的对称性，本文认为桩腿b和c的疲劳寿命对称相等，因此仅对其一进行计算，工作水深为91.44m时的平台疲劳计算点的计算结果见表2。 计算结果表明，对于目标自升式平台而言，疲劳问题未显得特别突出，在现有分析条件下，疲劳强度满足要求。对于水线面处的结构，弦杆和撑杆交接处节点的疲劳累计损伤要大于水平撑、斜撑交接处节点，在设计时需要考虑其疲劳问题。 5 结论 本文以某自升式平台为例，考虑动力效应，对疲劳载荷进行直接计算，并基于s-n曲线和miner疲劳累计损伤机理，采用谱分析方法对典型节点进行了疲劳强度分析，研究结果表明： 1）基于谱分析的疲劳寿命计算方法，适用于自升式平台结构的疲劳强度评估； 2）对于目标自