馮加果，劉小燕，王世圣，謝文會

(1中海油研究總院，北京 100028；2 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

基于ANSYS分析軟件的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估研究

馮加果1，劉小燕2，王世圣1，謝文會1

(1中海油研究總院，北京 100028；2 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

疲勞損傷失效是海洋結(jié)構(gòu)面臨的重要問題，而對于裙樁套筒這樣的局部復雜結(jié)構(gòu)而言，疲勞壽命評估更為關(guān)鍵。應用ANSYS軟件建立了一套海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程，通過熱點應力外推法，采用疲勞的簡化分析方法計算疲勞壽命，并運用該方法驗證了某平臺裙樁套筒滿足疲勞要求。該方法利用了局部結(jié)構(gòu)強度分析的ANSYS應力分析結(jié)果，得到的應力幅值更加合理、便利，同時將熱點應力外推法融入到疲勞簡化分析方法中，具有較高的工程應用價值，可為今后海洋平臺其他典型局部構(gòu)造的疲勞壽命評估提供指導。

海洋平臺；ANSYS；局部構(gòu)造；裙樁套筒；疲勞壽命；熱點

0 引 言

處于海洋環(huán)境中的平臺，長期受到隨機風、波、流以及工作載荷的作用，特別是波浪載荷是一種變化的載荷，在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)材料內(nèi)將產(chǎn)生隨時間變化的應力，材料抵抗這種交變應力的能力將隨著應變波動次數(shù)的累加而降低，就會產(chǎn)生疲勞損傷。而對于海洋平臺局部構(gòu)造，大部分都是焊接結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)形式和焊接的影響，在這些局部結(jié)構(gòu)的相貫線附近，很容易產(chǎn)生極大的應力集中，這些局部結(jié)構(gòu)的應力集中，使得其疲勞損傷積累過程被加速而成為整體結(jié)構(gòu)中抵抗疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)。此外，焊接殘余應力又會造成金屬的局部塑性變形，這些都將導致局部構(gòu)造在海洋環(huán)境交變載荷、低溫及海水腐蝕等作用下首先發(fā)生疲勞損傷[1]。因此，必須對這些海洋平臺局部構(gòu)造進行疲勞評估。但如何才能準確得到這些局部構(gòu)造的應力幅值一直是國內(nèi)外學者關(guān)心的問題，而應用有限元方法進行結(jié)構(gòu)分析是目前最常用最有效的方法，所以開展基于ANSYS有限元分析方法的局部構(gòu)造疲勞壽命評估研究，是非常有價值的。

在海洋工程結(jié)構(gòu)的疲勞評估中，比較常用的是基于S-N曲線和Miner線性累積損傷理論的疲勞累積損傷分析方法，當前各國船級社采用的疲勞評估方法，大都以此方法為基礎(chǔ)[2]。對于海洋平臺，在使用S-N曲線時，傳統(tǒng)上一般采用名義應力來進行疲勞校核，但該方法依賴于節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式，需根據(jù)不同的節(jié)點，采用不同的S-N曲線。而采用熱點應力來校核疲勞壽命，只和熱點處的應力值有關(guān)，而和具體的結(jié)構(gòu)形式無關(guān)，因此具有廣泛的適用性[3]。本文建立了基于熱點應力法的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程，以Miner線性累積損傷理論和S-N曲線為基礎(chǔ)，融入ANSYS有限元分析和熱點應力法來計算疲勞壽命。

1 建立基于熱點應力法的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程

海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估首先需要確定關(guān)注位置的應力值，先通過ANSYS有限元軟件計算結(jié)構(gòu)應力，再采用熱點應力法作相應處理得到用于疲勞分析的應力幅值，最后計算疲勞壽命。建立的基于熱點應力法的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程[4]如圖1所示。

1.1 基于ANSYS的熱點應力法

熱點應力法是熱點應力外推法的簡稱，是指通過離焊趾一定距離的點的應力線性外推得到焊趾處熱點應力的方法[5]。該方法的基本原理是：避開非線性應力峰值的區(qū)域，通過距焊趾足夠距離處的點的應力，采用線性疊加方法，得到熱點處的應力值。離焊趾一定距離的點的應力一般通過應力測試或有限元分析得到。本文通過有限元分析得到結(jié)構(gòu)應力，然后再在此基礎(chǔ)上應用熱點應力法，得到熱點應力。

1.1.1 基本概念

熱點系指可能產(chǎn)生疲勞裂紋的部位[6]。海洋平臺局部構(gòu)造的熱點一般在焊趾處，是疲勞裂紋的起源部位。熱點應力指最大主應力或“結(jié)構(gòu)中危險截面上危險點應力”[5]，規(guī)范將熱點表面的結(jié)構(gòu)幾何應力稱為熱點應力。熱點應力由膜應力和彎曲應力兩部分組成，是構(gòu)件表面熱點處膜應力和彎曲應力之和的最大值，考察由焊接件接頭幾何形狀和尺寸大小在焊趾處所引起的應力集中效應，但不包括焊趾處局部焊縫引起的非線性應力峰值[5,7]。

1.1.2 通過ANSYS有限元分析確定結(jié)構(gòu)應力

ANSYS有限元分析的主要步驟有建立海洋平臺局部構(gòu)造的ANSYS模型、選擇單元劃分網(wǎng)格、施加邊界條件和載荷、處理計算結(jié)果。

在建立海洋平臺局部構(gòu)造的ANSYS模型時，為了節(jié)省時間和資源，簡化處理焊縫和倒角。對于海洋平臺局部構(gòu)造，大多可以采用板單元來模擬，考慮到膜應力和彎曲應力對疲勞貢獻最大，不考慮板的橫向剪切效應，選擇shell63單元。局部構(gòu)造的邊界條件和載荷從海洋平臺整體結(jié)構(gòu)疲勞分析(比如SACS整體疲勞分析)中提取，對于圓筒構(gòu)件的邊界條件和載荷，在截面形心處建一節(jié)點，利用ANSYS軟件中的link2、beam4等單元將該節(jié)點與周圍節(jié)點一一連接起來，再將載荷和約束施加到該形心節(jié)點上。然后進行ANSYS計算，得到結(jié)構(gòu)應力。

1.1.3 熱點應力外推法

最常用的熱點外推法是挪威船級社(DNV)推薦的外推方法：采用距焊趾0.5t和1.5t處的應力值外推得到焊趾處的熱點應力。計算公式如下[8]：

σhot=1.5σ(0.5t)-0.5σ(1.5t),

(1)

式中：σhot為熱點應力；σ(0.5 t)為距離熱點0.5t處的應力值；σ(1.5 t)為距離熱點1.5t處的應力值；t為考慮疲勞破壞處的厚度。

1.2 確定應力幅值

根據(jù)材料力學理論，循環(huán)交變應力的應力范圍是最大與最小應力之差，應力幅值是最大與最小應力之差的一半[9]。對于海洋平臺而言，引起局部構(gòu)造產(chǎn)生交變應力的主要是波浪載荷，由于波浪的不確定性，很難得到在隨機波浪作用下的結(jié)構(gòu)應力響應，也就很難得到隨機波浪作用下的最大應力和最小應力，通常根據(jù)經(jīng)驗或試算選取較危險的引起交變載荷的工況(盡量將產(chǎn)生最大應力的工況包含在內(nèi))，將該工況下垂直于焊縫的最大主應力作為應力幅值[5]。本文將利用外推法得到在波浪作用下的熱點應力作為計算疲勞的應力幅值。

1.3 確定合適的S-N曲線

疲勞設(shè)計利用通過疲勞試驗得出的S-N曲線來進行。本文采用DNV-RP-C203中S-N曲線來計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，對應的S-N曲線表達式為[8]

圖1 基于熱點應力法的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程圖Fig.1 Flow chart of local structural fatigue life assessment of offshore platform based on the hot spot stress method

(2)

1.4 疲勞累積損傷計算

假定海洋平臺局部構(gòu)造在海洋環(huán)境載荷作用下的長期應力幅滿足Weibull分布，使用單斜率的S-N曲線，采用如下公式計算疲勞累積損傷[8，10]：

(3)

(4)

1.5 疲勞壽命計算

計算疲勞壽命的公式為

L=LDesign/D，

(5)

式中：L為待評估處的疲勞評估壽命；LDesign為設(shè)計疲勞壽命，即預期的使用壽命。

1.6 疲勞校核推薦準則

根據(jù)API RP 2A WSD—2000 21st的規(guī)定，疲勞強度校核準則如下[11]：

L≥Fs·LDesign,

(5)

或者

Fs·D<1.0,

(6)

式中：Fs為相應的安全系數(shù)。

2 算例：某平臺裙樁套筒結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估

以某平臺的裙樁套筒為例。該平臺是一座8腿12裙樁的鉆采綜合平臺，設(shè)計壽命20年，四個角上的樁腿都采用三個套筒結(jié)構(gòu)與主樁腿連接的裙樁套筒結(jié)構(gòu)，該平臺所處水深為132 m。參考初步設(shè)計的裙樁套筒結(jié)構(gòu)圖紙，建立ANSYS模型，如圖2所示。其中采用shell63模擬連接套筒和樁腿的YOKE板以及樁腿，采用SOLID45來模擬套筒，完成ANSYS模型的建立。劃分網(wǎng)格時SOLID45單元用VSWEEP命令掃略劃分網(wǎng)格，對于比較關(guān)注的YOKE板和樁腿的連接部位周圍，采用0.5t×0.5t網(wǎng)格劃分，其他部分采用粗略網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格如圖3所示。引起裙樁套筒疲勞的主要載荷是波浪，在平臺360°范圍內(nèi)每隔45°選取一個浪向共8個浪向作為評估疲勞壽命的工況，從SACS整體模型計算中提取這8個浪向作用下裙樁套筒的邊界條件和所受載荷，計算這8個浪向下裙樁套筒的結(jié)構(gòu)應力。各浪向下結(jié)構(gòu)應力云圖如圖4所示。

根據(jù)工程經(jīng)驗和試算結(jié)果，應力最大值均出現(xiàn)在YOKE板、剪力板、腿三者連接的部位，這些部位也是最容易發(fā)生疲勞破壞的位置，因此著重評估這些熱點的疲勞壽命，如圖5所示。

圖2 裙樁套筒ANSYS模型Fig.2 Skirt pile sleeve ANSYS model

圖3 裙樁套筒網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Meshing of the skirt pile sleeve

圖4 各浪向下裙樁套筒結(jié)構(gòu)應力云圖Fig.4 Stress plots of the skirt pile sleeve for different wave directions

從表中結(jié)果看，在波浪作用下，該結(jié)構(gòu)所受最大應力幅值為147.74 MPa，出現(xiàn)在225°浪向的B31位置，但該處疲勞壽命并非最小，是由于該浪向出現(xiàn)的概率并不最高，這也驗證了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是由各浪向產(chǎn)生的應力幅值和各浪向出現(xiàn)的概率共同決定的，因此在評估海洋平臺局部構(gòu)造的疲勞壽命時不僅要關(guān)注產(chǎn)生應力幅值較大的浪向(比如強度分析中的危險浪向)，也需要關(guān)注出現(xiàn)概率高的浪向，在條件允許的情況下，建議多取一些浪向進行評估計算，這樣評估結(jié)果更接近實際。另外，結(jié)果表明，該裙樁套筒結(jié)構(gòu)的最小疲勞壽命位于YOKE板、剪力板、腿三者連接的部位(熱點A11)，最小疲勞壽命為127.129 5年，大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命(20年)，滿足疲勞要求。

圖5 疲勞壽命評估點示意圖Fig.5 Schematic diagram of fatigue life assessment points

表1 各浪向下熱點B31的疲勞壽命計算Table 1 Fatigue life of the hot spot B31 in different wave directions

表2 各浪向下熱點的疲勞壽命計算Table 2 Fatigue life calculation of the hot spots in different wave directions

3 結(jié) 語

本文以ANSYS有限元為工具，將熱點應力外推法融入到疲勞簡化分析方法中，建立了一套基于熱點應力法的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程，并將該方法應用于某平臺的裙樁套筒結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估，得到以下結(jié)論和建議。

(1) 應用本文的方法，計算得到了某平臺的裙樁套筒結(jié)構(gòu)最小疲勞壽命為127年，大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命(20年)，驗證了該裙樁套筒的設(shè)計滿足疲勞要求。

(2) 在評估海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命過程中，選取的計算工況不僅要包括較危險的工況(即產(chǎn)生應力較大的工況)，還必須包括出現(xiàn)概率較大的工況，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)充足的情況下，建議盡可能多選取一些工況，這樣評估結(jié)果更接近實際。

(3)文中建立的基于熱點應力法的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估流程，可為海洋平臺其他典型局部構(gòu)造的疲勞壽命評估提供參考。

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ResearchonFatigueLifeAssessmentofLocalConstructionsofOffshorePlatformsBasedonANSYSSoftware

FENG Jia-guo1, LIU Xiao-yan2, WANG Shi-sheng1, XIE Wen-hui1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.COTEC,Beijing100011,China)

Fatigue damage is an important problem to offshore structure, and it is more critical for the fatigue life assessment of the skirt pile sleeve due to the complexity of its local structure. A finite element analysis procedure is established to assess the fatigue life of the local constructions of the offshore platforms by applying the ANSYS program. The fatigue life is calculated with the simplified fatigue analysis method and the hot spot stress extrapolation, and the skirt pile sleeve of a platform is proved to meet the fatigue requirement by the research. It is more reasonable and convenient to get the stress amplitude based on the ANSYS stress analysis results from the local structure strength analysis, and there is a higher application value in engineering that the hot spot stress extrapolation and the simplified fatigue analysis method are combined together. The method could provide guidance on the fatigue life assessment of the other typical local constructions of offshore platforms in the future.

offshore platform; ANSYS; local construction; skirt pile sleeve; fatigue life; hot spot

2015-09-22

馮加果(1985—)，男，工程師，主要從事海洋工程平臺方面的研究。

P742

A

2095-7297(2015)05-0325-07