基于谱-谱双参数法的火炬臂疲劳分析

基于谱-谱双参数法的火炬臂疲劳分析

0总结火炬臂结构的主要功能是燃烧和排放产生的气体。在蝙蝠o中，火炬臂通常布置在船的开头和尾部。由于火炬臂为高耸结构，风激疲劳1计算模型和设计参数1.1火炬臂结构模型以南海某FPSO的火炬臂为例，使用SACS软件建立火炬臂结构模型，如图1～图3所示。火炬臂长度为85m，火炬臂荷载包括结构自重、管线质量、附属构件质量等。火炬臂位于船首侧，设计使用寿命为30a，疲劳安全因数取2.0。1.2应力集中因数S?N曲线表示疲劳应力幅与最大许用循环次数之间的关系，S?N曲线的选取主要考虑目标节点的类型、焊接和检验方式等。应力集中因数是指热点应力与名义应力的比值。DNV规范1.3方向不一致FPSO可以绕系泊塔自由旋转，在环境荷载比如波浪和风荷载作用下，船首会旋转至来浪方向。在旋转过程中，一定时间内船首方向与风浪流方向不一致，即风浪流作用于船侧方向，但在现有的环境数据和船舶响应数据的基础上，仍然无法评估环境荷载作用于船侧情况在服役期的占比。计算火炬臂因船体运动引起的疲劳和风激疲劳时，保守考虑，取180°方向（船首方向）的时间占比为100%，从180°位置沿顺时针和逆时针方向各偏转45°来考虑环境荷载作用于船侧的情况即135°和225°，两个方向的时间占比均为7.5%，总占比为115%。1.4rao数据根据以上来浪方向分别计算135°、180°和225°方向船体摇心处的RAO位移响应，如图4～图6所示。2方程中的电压聚焦2.1应力集中因数火炬臂根部拐点位置采用管与管对接的形式，如图7所示，该位置的应力集中因数须通过有限元分析计算得到。有限元模型如图8所示，采用8节点SHELL93单元，网格尺寸采用1倍筋板厚度，管底部位置固接约束，管上部建立耦合约束，荷载施加在耦合节点上。2.2管截面应力的计算依据DNV-RP-C203应力外推法计算拐点截面热点应力即为该位置的应力集中因数，计算方法如下：(1）根据管截面参数，分别计算受压、受面内弯和受面外弯时上管截面的名义应力，应力值为1时作为各工况的计算荷载。(2）在拐点截面的最大应力点位置处，沿主应力方向分别求出距离该位置t/2和3t/2(t为应力路径上的管壁厚）的节点应力。(3）利用插值法求出热点应力即为拐点截面在对应工况下的应力集中因数。2.3热点应力分析面内弯工况下的应力结果如图9所示。计算位置点热点应力为式中：σ各工况下的应力集中因数如表2所示。将表2的拐点位置应力集中因数值代入SACS计算文件中，可以求得拐点位置的疲劳损伤。3疲劳分析3.1波浪发生频率波浪和风都可认为是平稳的随机过程，以波浪为例，其服从窄带高斯分布，如果将FPSO结构视作线性系统，则得到的应力响应服从瑞利分布。随机过程可由频率不同的简谐波叠加组合而成，海浪的总能量由各组成波提供，海浪能量相对于各组成波的概率分布构成海浪这一随机过程的频域特性。选用PM谱计算波浪所致疲劳。PM谱是由风浪观测谱拟合得到的，是海洋工程中最常用的波浪谱之一。在计算风谱疲劳时，选用HARRIS风谱并考虑阵风效应，生成计算风谱疲劳所用的风荷载。3.2计算过程利用SACS软件分别进行火炬臂因船体运动产生的疲劳以及风激疲劳分析，主要分析流程如图10所示。3.3组合疲劳损伤FPSO上的火炬臂在服役期间，既要承受船体运动产生的动荷载，也要承受脉动风产生的动荷载，两过程都会产生疲劳问题。但是，由于两过程的作用频率不一样，将损伤进行线性叠加是不保守的。DNV-RP-C203附录F给出了计算组合疲劳损伤的推荐公式为式中：D为组合疲劳损伤；D为简化处理，可认为风荷载响应与运动响应对应的频率相等（v简化公式是一种非常保守的计算方法，如有必要，可通过计算两过程的平均上跨零周期得到更准确的疲劳损伤。4计算4.1管理节点管节点由运动产生的疲劳和风激疲劳以及二者组合疲劳损伤结果如表3所示，结果显示管节点的疲劳寿命均大于30a的使用寿命。4.2过渡锥的位置匹配过渡锥位置处因运动产生的疲劳和风激疲劳以及二者组合疲劳损伤结果如表4所示。结果显示，管节点的疲劳寿命均大于30a的使用寿命。5组合疲劳损伤以南海某FPSO上的火炬臂设计为例，总结出一套FPSO火炬臂疲劳分析方法，该方法可综合考虑船体运动与风荷载作用的组合疲劳损伤，为后续工程设计提供参考。(1）对于倾斜式火炬臂，根据DNV-RP-C203规范的插值方法，基于有限元软