馮國慶, 任慧龍, 陳北燕, 李 輝

(哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001)

在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的工程計(jì)算法

馮國慶, 任慧龍, 陳北燕, 李 輝

(哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001)

論述了疲勞譜分析方法的基本原理,研究了在役平臺(tái)的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的工程計(jì)算方法,并以該方法對(duì)某一在役半潛式平臺(tái)進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度的評(píng)估。結(jié)果表明,該方法易于實(shí)施,所作評(píng)估比較合理。

在役平臺(tái);結(jié)構(gòu);疲勞強(qiáng)度

Abstract:The basic theory of spectral fatigue analysis is discussed.The engineering caculation of structural fatigue strength assessment for aging platform structures is investigated.As an example,the fatigue assessment of an aging platform is proposed.The results show that this method is easy to be acomplished and the assessment is reasonable.

Key words:aging platform;structure;fatigue strength

0 前言

對(duì)于不斷遭受交變載荷作用的海洋平臺(tái)而言,結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是其主要的失效模式之一。特別是已經(jīng)服役多年的在役平臺(tái),由于腐蝕,磨損等因素的影響,使得平臺(tái)結(jié)構(gòu)抵抗疲勞破壞的能力不斷下降,為此對(duì)在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞作出評(píng)估,從而確定剩余疲勞強(qiáng)度和剩余疲勞壽命,對(duì)在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全和延壽具有理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)在役平臺(tái)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法進(jìn)行了研究并給出了可行的工程處理方法。

1 疲勞譜分析方法的基本理論

海洋波浪的長(zhǎng)期狀態(tài)通常可以看成是由許多短期海況的序列組成。對(duì)每一短期海況,把波浪作為一個(gè)平穩(wěn)正態(tài)隨機(jī)過程來研究。某一海況在給定浪向角θ時(shí)的交變應(yīng)力過程可視為均值為零的窄帶平穩(wěn)隨機(jī)過程,其應(yīng)力范圍 S服從Rayleigh分布,概率密度函數(shù)為

式中:S表示應(yīng)力范圍;σX為交變應(yīng)力過程的標(biāo)準(zhǔn)差。

上述給定浪向角θ時(shí)的應(yīng)力交變過程的功率譜密度(方差密度)表示為 GX(ωe,θ),其值可利用(2)式得到

式中:H(ωe,θ)為應(yīng)力響應(yīng)頻響函數(shù);ωe為船舶的遭遇頻率;θ為浪向角;Gη(ωe,θ)為用遭遇頻率表示的波能譜,一般取為兩參數(shù)的PM譜。

將 m0,m2分別表示為功率譜密度的0次矩和2次矩,則有

交變應(yīng)力過程的標(biāo)準(zhǔn)差σX可按(4)式得到,即

交變應(yīng)力過程的跨零率 f0的表達(dá)式為

式中:f0ij為該應(yīng)力交變過程的跨零率,由式(5)給出;Tij·f0ij為該航行狀態(tài)期間內(nèi)應(yīng)力范圍循環(huán)次數(shù);fSij(S)為該期間的短期應(yīng)力范圍分布。

設(shè)所考慮的回復(fù)期為 Td,平臺(tái)工作區(qū)域有nS個(gè)海況,各海況出現(xiàn)的概率為pi,劃分的浪向數(shù)為nH個(gè),各浪向出現(xiàn)的概率為 pj,則式(6)中的 Tij=Td·pi·pj。再將 fSij(S)的表達(dá)式(1)代入式(6),經(jīng)積分整理后,可得回復(fù)期內(nèi)的疲勞累積損傷度 DT為

設(shè)所考慮的平臺(tái)在第 i海況和第j浪向中工作時(shí)間為 Tij,并用 Dij表示在 Tij期間的累積損傷度,根據(jù)Miner線性累計(jì)損傷理論,Tij期間的疲勞累積損傷度可表示為

2 在役平臺(tái)疲勞評(píng)估工程計(jì)算法

對(duì)于已服役過一段時(shí)間的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,考慮其服役期間的疲勞損傷 DP及該損傷的不確定因素α,可得到節(jié)點(diǎn)的剩余疲勞強(qiáng)度DR:

式中 FD F為疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定,疲勞設(shè)計(jì)參數(shù) FD F對(duì)于參與總縱強(qiáng)度的甲板上的關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)取3,而對(duì)于其普通部位的節(jié)點(diǎn)取2;對(duì)于水下浮體的關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)取5,普通部位的節(jié)點(diǎn)取3;但是對(duì)難于檢測(cè)的細(xì)節(jié)處,關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)取10,普通部位的節(jié)點(diǎn)取5。

對(duì)于不確定因素α,當(dāng)原疲勞損傷數(shù)據(jù)明確的情況下取1.0,否則取大于1.0的數(shù)值。

DP根據(jù)(9)式進(jìn)行計(jì)算

式中:TP為已服役的時(shí)間;Td為回復(fù)期(取為20年);DT為 Td對(duì)應(yīng)的累積損傷。

因此,疲勞強(qiáng)度評(píng)估公式為

式中D為剩余服役時(shí)間或延壽期內(nèi)的累積疲勞損傷。

剩余疲勞壽命 TR可按式(11)計(jì)算

或按式(12)計(jì)算

3 算例

本文算例取某已經(jīng)服役31年的海洋平臺(tái)。該平臺(tái)為八立柱雙浮體的半潛式平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)有甲板主體,兩個(gè)平行的縱向浮筒,連接縱向浮筒的橫向浮筒,四角為直徑30英尺的立柱,中間為四個(gè)直徑18英尺的立柱,在立柱與甲板主橫梁之間設(shè)有撐桿。

3.1 疲勞載荷計(jì)算

根據(jù)線性勢(shì)流理論計(jì)算疲勞載荷。疲勞載荷計(jì)算共劃分了1 348個(gè)網(wǎng)格,如圖1所示。波浪的圓頻率ω的范圍為0.2,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.6,1.8,2.0,共15個(gè)頻率。

3.2 有限元模型化

圖1 水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格

圖2 總體有限元模型

圖3 細(xì)化有限元模型

有限元模型采用空間的板梁組合結(jié)構(gòu)。骨材尺寸及板厚根據(jù)圖紙資料及測(cè)厚報(bào)告而定。其總體有限元模型如圖2所示。對(duì)于需要進(jìn)行疲勞校核的局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),采用t×t的細(xì)化有限元網(wǎng)格,本文中的局部細(xì)化網(wǎng)格采用內(nèi)嵌式網(wǎng)格細(xì)化方法,即在總體有限元模型中,嵌入細(xì)化有限元網(wǎng)格,如圖3所示,疲勞校核點(diǎn)如圖4所示。

3.3 應(yīng)力頻響函數(shù)

將波浪動(dòng)壓力施加到有限元模型上,計(jì)算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)。在對(duì)計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行線性外插得到熱點(diǎn)應(yīng)力后,再慮及板厚修正[1],即可得到計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力頻響函數(shù),分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖4 計(jì)算點(diǎn)細(xì)化有限元模型

3.4 剩余疲勞強(qiáng)度及剩余疲勞壽命

得到各計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力頻響函數(shù)后,采用文獻(xiàn)[1]中的 E曲線,并采用式(8)及式(11)計(jì)算得到各計(jì)算點(diǎn)的剩余疲勞強(qiáng)度及剩余疲勞壽命,本例中 FD F取為5,α取為1.5,結(jié)果如表1所示。

表1 剩余疲勞強(qiáng)度及剩余疲勞壽命

圖5 計(jì)算點(diǎn)1應(yīng)力頻響函數(shù)

3.5 不確定因素及疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

為了考查不確定因素α及疲勞設(shè)計(jì)參數(shù) FD F對(duì)剩余疲勞強(qiáng)度的影響,本文以節(jié)點(diǎn)1為例進(jìn)行了分析,結(jié)果如表2所示。

表2 不確定因素及疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

由表2可知,相對(duì)于不確定因素α,疲勞設(shè)計(jì)參數(shù) FD F對(duì)剩余疲勞強(qiáng)度的影響更為明顯。為在工程實(shí)際中合理評(píng)價(jià)在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命,需要合理確定疲勞設(shè)計(jì)參數(shù) FD F和不確定因素α。在沒有工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供參考的情況下,疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)FD F可以根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定進(jìn)行選取,即對(duì)參與總縱強(qiáng)度的甲板上的關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)取3,而對(duì)其普通部位的節(jié)點(diǎn)取2;對(duì)水下浮體的關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)取5,普通部位的節(jié)點(diǎn)取3;但是對(duì)難于檢測(cè)的細(xì)節(jié)處,關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)取10,普通部位的節(jié)點(diǎn)取5。不確定因素α可以取為1.5。

4 結(jié)束語

在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估是平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的重要內(nèi)容之一。本文以某半潛式平臺(tái)為例,對(duì)在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法進(jìn)行了研究,得到以下結(jié)論:

(1)在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的工程計(jì)算法較為簡(jiǎn)便,是一種對(duì)在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估的有效方法。(2)不確定因素α及疲勞設(shè)計(jì)參數(shù)FD F需要合理確定。在沒有工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供參考的情況下,可按本文給出的方法進(jìn)行選取。

[1] American Bureau of Shipping.Rules for building and classing mobile offshore drilling units 2006[S].part 3 hull construction and equipment,2006.

[2] American Bureau of Shipping.Rules for building and classing mobile offshore drilling units 2001[S].part 3 hull construction and equipment,2005.

[3] Det Norske Veritas.Recommended practice DNV-RP-C103:Column-stabilized units[S].2005.

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Engineering Calculation of Structure Fatigue Strength Assessment for Aging Platform Structures

FENG Guo-qing, REN Hui-long, CHEN Bei-yan, Li Hui(Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

P752

B

1001-4500(2010)04-0050-04

2009-12-01; 修改稿收到日期:2010-04-19

馮國慶(1976-),男,博士,副教授。主要從事船舶與海洋工程環(huán)境載荷與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的研究。