錢笠君

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

基于譜分析法的海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法研究

錢笠君

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

隨著海洋工程的發(fā)展，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析方法越來(lái)越不適用于不斷出現(xiàn)的新型式結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度分析。文章基于水動(dòng)力理論及譜分析基本理論，提出基于譜分析法的海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法；借助有限元分析方法，以某型鉆井船為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，以說(shuō)明該方法不僅在理論上可行，同樣具有較強(qiáng)的可操作性及實(shí)用型，從而對(duì)于日后海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的評(píng)估提供另外一條新的途徑。

譜分析；海洋工程；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；評(píng)估方法

引 言

近年來(lái)，隨著陸地資源日漸枯竭，人類社會(huì)日益重視對(duì)海洋的開(kāi)發(fā)與利用，如海洋油氣開(kāi)發(fā)、海洋礦物采掘、海上核能等，這些海洋工程活動(dòng)都需要以海洋工程結(jié)構(gòu)物作為作業(yè)平臺(tái)，而隨著這些功能的多樣化，傳統(tǒng)的船型浮式海洋結(jié)構(gòu)物已無(wú)法滿足各種各樣海洋開(kāi)發(fā)的需求，海洋工程結(jié)構(gòu)物也以各種各樣的形態(tài)展現(xiàn)出來(lái)，如圓筒式、柱穩(wěn)式及立方體式等。

對(duì)于船體結(jié)構(gòu)評(píng)估而言，現(xiàn)行規(guī)范體系經(jīng)多年船型結(jié)構(gòu)研究的經(jīng)驗(yàn)積累，特別適用于船型浮式結(jié)構(gòu)物，對(duì)于新出現(xiàn)的浮式海洋結(jié)構(gòu)物而言，其評(píng)估的思路則不一定適用，而不得不采用新的方法。

以柱穩(wěn)式半潛平臺(tái)為例，現(xiàn)行相并規(guī)范［1］推薦及通用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究方法為確定性方法或者特征波法（設(shè)計(jì)波法）［2-4］，從統(tǒng)計(jì)意義上，在隨機(jī)波浪系列中選取某一特征波作為單一規(guī)則波近似分析隨機(jī)波浪對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用［5-6］，現(xiàn)行相并規(guī)范推薦的特征載荷工況［7］有：橫向分離狀態(tài)、扭矩狀態(tài)、縱向剪切狀態(tài)、上船體處縱向加速度狀態(tài)、上船體處橫向加速度狀態(tài)、最大垂向彎曲狀態(tài)等。這種有限枚舉特征工況的分析方法對(duì)于平臺(tái)整體及局部強(qiáng)度而言，理論上存在沒(méi)有枚舉到的危險(xiǎn)工況，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中失效或損壞。對(duì)此，上海交通大學(xué)的嚴(yán)文軍等人［8］對(duì)于波浪工況作過(guò)較為深入的研究，總結(jié)了存在若干工況并未包括在規(guī)范推薦的特征波工況內(nèi)。這對(duì)于平臺(tái)而言無(wú)疑是危險(xiǎn)的，而且在理論上存在更為危險(xiǎn)的其他工況。

對(duì)于工程經(jīng)驗(yàn)較為豐富的半潛式平臺(tái)尚且如此，對(duì)于形狀更為新穎的海洋工程結(jié)構(gòu)物，其特征波的確定則更無(wú)從下手，其結(jié)構(gòu)的安全性肯定無(wú)法保證。

本文基于譜分析的思路，區(qū)別于確定性方法，論述采用譜分析法去確定結(jié)構(gòu)在給定概率水平及環(huán)境條件作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并且以某型鉆井船為例說(shuō)明該計(jì)算方法的可行性，本研究成果可以拓展為普遍的研究方法，并不僅限于單一船型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，從而可以作為海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估方法的一種補(bǔ)充或者替代。

1 譜分析法基本原理

基于譜分析法的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算原理為：認(rèn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)受力是一個(gè)平穩(wěn)的線性系統(tǒng)，由已知的海浪譜推求出作用于結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)力譜，從而確定不同累積概率的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的方法，利用譜密度的變換，即輸出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨機(jī)函數(shù)的譜密度等于輸入的波浪的隨機(jī)函數(shù)的譜密度乘以相應(yīng)頻率下結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨機(jī)函數(shù)求取指定概率下的極值得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值以用于評(píng)估結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其強(qiáng)度評(píng)估過(guò)程見(jiàn)圖1。

1.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)計(jì)算

1.2 確定波浪譜

海浪譜是描述海浪的有效手段，表征一段時(shí)間內(nèi)海浪的能量分布。通過(guò)將全船結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)與海浪譜疊加組合可獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力的短期響應(yīng)。用于工程實(shí)踐的波浪譜有：勞曼譜、P-M譜、ISSC譜、勃氏譜、光易型譜、規(guī)范譜和JONSWAP譜。在描述海浪時(shí)，一般從上述波浪譜中選取與實(shí)際海域海情最為接近的海浪譜，確定各種波譜的特征參數(shù)，通過(guò)參數(shù)化海浪譜來(lái)描述波浪。

1.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力能量譜計(jì)算

按式（1）將作業(yè)海域波浪譜結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)計(jì)算得出結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)能量譜：

1.4 短期概率密度函數(shù)計(jì)算

由于短期海況符合Rayleigh分布，所以短期概率密度函數(shù)分布形式按式（2）計(jì)算：

式中：σ2=m0。

m0為短期海況0階譜矩，短期海況第n階譜矩mn可按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

1.5 確定波浪散布圖及浪向概率

波浪譜是用于描述短期波浪的能量，但一片海域內(nèi)的海情較為復(fù)雜，由于氣象條件的變化，不同時(shí)間內(nèi)存在不同的能量分布的海浪，而波浪散布圖就是用來(lái)描述長(zhǎng)期時(shí)間內(nèi)，各種不同短期海情出現(xiàn)的次數(shù)或者概率。根據(jù)作業(yè)海域獲取正確的當(dāng)?shù)夭ɡ松⒉紙D，對(duì)于計(jì)算結(jié)果的正確性至并重要。由于地理位置的并系，每一海域的波浪方向出現(xiàn)的次數(shù)也存在差異，該方向在應(yīng)力長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)結(jié)果中的權(quán)重就相應(yīng)增大。因此，要根據(jù)水文資料中波浪出現(xiàn)的次數(shù)來(lái)計(jì)算作業(yè)海域中波浪浪向出現(xiàn)的概率。

1.6 長(zhǎng)期概率密度函數(shù)計(jì)算

長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)結(jié)果可作為一系列短期平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的組合進(jìn)行處理，故長(zhǎng)期概率密度函數(shù)可由若干短期概率密度函數(shù)以其出現(xiàn)概率為權(quán)與其相乘后的和求得，長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)概率密度函數(shù)可按式（4）計(jì)算：

1.7 結(jié)構(gòu)應(yīng)力長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值計(jì)算

根據(jù)給定的設(shè)計(jì)超越概率，采用二參數(shù)的Weibull分布來(lái)擬合船體運(yùn)動(dòng)和載荷的長(zhǎng)期響應(yīng)分布：

式中：q為尺度參數(shù)，h為形狀參數(shù)。對(duì)應(yīng)于響應(yīng)值y，其超越概率水平為：

從而獲得指定超越概率水平的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值。

1.8 校 核

結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算完畢之后，根據(jù)相并規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，通過(guò)校核判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

2 計(jì)算示例

根據(jù)以上理論方法，本文選取某型鉆井船作業(yè)工況為計(jì)算對(duì)象，利用DNV-GLsESAME Package 軟件作為計(jì)算工具，以說(shuō)明上述原理在工程實(shí)踐中具有可操作性。

該船主尺度及相并參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1 主尺度及相關(guān)參數(shù)m

采用板單元建立平臺(tái)的水動(dòng)力濕表面模型；采用板單元及梁?jiǎn)卧⒔Y(jié)構(gòu)模型，并在結(jié)構(gòu)模型上施加邊界條件；建立質(zhì)量模型，質(zhì)量模型與結(jié)構(gòu)模型是同一個(gè)模型以確保慣性載荷一致。結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖2。

2.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)計(jì)算

針對(duì)鉆井船的特性選取若干單位波幅的規(guī)則波：規(guī)則波周期范圍取3～34s，間隔1s，共30個(gè)；規(guī)則波的浪向取全浪向，浪向間隔為15°，共24個(gè)。兩相組合，共720個(gè)單位波幅的規(guī)則波。利用濕表面模型與質(zhì)量模型計(jì)算上述單位波幅規(guī)則波引起的波浪載荷，并將上述單位波幅規(guī)則波的波浪載荷加載到結(jié)構(gòu)模型上，得出結(jié)構(gòu)模型的全船所有節(jié)點(diǎn)上的Von-Mises等效應(yīng)力傳遞函數(shù)。

2.2 波浪譜

根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)的實(shí)際環(huán)境條件，確定該鉆井船的海情，海浪譜定義為P-M譜。

2.3 短期概率密度函數(shù)計(jì)算

根據(jù)式（1）將結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)疊加P-M譜；根據(jù)式（3）計(jì)算短期應(yīng)力相應(yīng)的譜距m0及m2；根據(jù)式（2）計(jì)算短期概率密度函數(shù)。

2.4 確定長(zhǎng)期波浪散布圖及浪向概率

根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)的海洋水文信息，波浪散布圖選取為全球散布圖（W-W）。由于作業(yè)區(qū)塊不存在明顯的主控浪向，各方向來(lái)流均等，浪向概率定義為各向等概率。

2.5 長(zhǎng)期極值計(jì)算

根據(jù)式（4），通過(guò)短期概率密度函數(shù)、全球波浪散布圖及浪向概率計(jì)算長(zhǎng)期概率密度函數(shù)，指定超越概率水平為10-8，根據(jù)式（5）計(jì)算出該鉆井船應(yīng)力長(zhǎng)期極值，這樣計(jì)算求得的值就是該平臺(tái)在10-8超越概率水平下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。以本船主甲板為例，其10-8超越概率水平下的Von-Mises等效應(yīng)力（Equivalent stress）如圖3所示。

2.6 校 核

將上述結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值與相應(yīng)規(guī)范的許用應(yīng)力進(jìn)行比較，以確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求。以上述主甲板為例，剔除一些受邊界條件影響的單元之后，主甲板面應(yīng)力水平基本處于規(guī)范的許用范圍以內(nèi)，而且整個(gè)主甲板面上的應(yīng)力分布主要是船舯區(qū)域較高，往首尾依次遞減，符合常規(guī)船型的受力特點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文首先論述基于譜分析法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算原理，隨后以某鉆井船為例，將之前的原理付諸實(shí)踐，采用譜分析方法對(duì)鉆井船結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)果表明：

（1）基于譜分析的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算方法具有可操作性及實(shí)用性，適用于海洋工程結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。

（2）從計(jì)算過(guò)程中可見(jiàn)，譜分析法不需要人為確定特征載荷，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)合環(huán)境條件得出基于指定概率的統(tǒng)計(jì)極值，與確定性方法相比而言更為簡(jiǎn)單直接，減少因人為介入而產(chǎn)生忽略某一工況，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與實(shí)際情況不相匹配的情況。

（3）由于不需要人為設(shè)定特征波，譜分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法并不局限于特定船型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，該方法同樣可應(yīng)用于其余海洋工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估上。對(duì)于任意形狀的海洋工程結(jié)構(gòu)物，只需要獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力的傳遞函數(shù)及環(huán)境條件，即可得出該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期應(yīng)力統(tǒng)計(jì)極值，因此可以作為現(xiàn)今結(jié)構(gòu)評(píng)估手段的一種補(bǔ)充或者替代。對(duì)于新型結(jié)構(gòu)物，其實(shí)用性較確定性方法更強(qiáng)。

（4）確定性方法給出特征波是鑒于該特征波浪對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言較為危險(xiǎn)，然而該特征波浪對(duì)于一些局部并鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如并鍵區(qū)域過(guò)渡肘板等）卻不一定是主控工況，這樣會(huì)導(dǎo)致一些局部并鍵構(gòu)件由于沒(méi)有充分考慮到危險(xiǎn)工況而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。譜分析法的計(jì)算結(jié)果則是全船任意位置的長(zhǎng)期應(yīng)力極值。對(duì)于局部區(qū)域構(gòu)件而言，計(jì)算結(jié)果考慮到作業(yè)海域環(huán)境條件之后的統(tǒng)計(jì)極值，從理論上來(lái)說(shuō)對(duì)于局部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估更為嚴(yán)謹(jǐn)。

（5）根據(jù)式（1）及式（4）所示，譜分析法強(qiáng)度評(píng)估方法的核心技術(shù)為選取正確適用的波浪理論計(jì)算出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)以及對(duì)于環(huán)境條件的確定。由于波浪理論的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，而環(huán)境條件的確定因觀測(cè)條件所限，因此會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)較少以及一些極值數(shù)據(jù)缺失，而只能依靠統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行外插得出。不過(guò)，從這一點(diǎn)而言，確定性方法中波浪載荷的計(jì)算同樣會(huì)遇到類似問(wèn)題，于是環(huán)境條件的準(zhǔn)確與否，對(duì)于結(jié)果的影響無(wú)疑是相當(dāng)大的。譜分析法強(qiáng)度評(píng)估方法必須基于準(zhǔn)確的作業(yè)地點(diǎn)的水文波浪信息，否則反而會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

以上計(jì)算思路可供其他海洋工程項(xiàng)目強(qiáng)度評(píng)估時(shí)借鑒。

［1］ DNV. Column-stabilized Units［S］. 2005.

［2］ 白艷彬， 劉俊， 薛鴻祥， 等.深水半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度分析［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2010（2）：22-27.

［3］ 梁園華，鄭云龍，等. BINGO 9000 半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J ］ . 中國(guó)海洋平臺(tái)，2001 （526） ：21-26.

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［5］ 張海彬，沈志平，李小平. 深水半潛式鉆井平臺(tái)波浪載荷預(yù)報(bào)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估［J ］ . 船舶，2007（2） ：33-38.

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［8］ 嚴(yán)文軍，劉俊，半潛平臺(tái)總體強(qiáng)度計(jì)算中的波浪工況研究［J］.船舶工程，2014（4）：108-111.

Spectral-based strength assessment of ocean engineering structure

QIAN Li-jun
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

With the development of the ocean engineering, the current structural analysis methods are becoming more and more difficult to analyze the strength of the new types of the constantly emerging structure. The spectral based strength assessment of the ocean engineering structure is proposed based on the hydrodynamic theory and the basic spectral analysis theory. The structures tress of a drill ship is calculated together with the Finite Element method to demonstrate that the proposed method is not only theoretically feasible but also operational and practical. It can provide a new approach for the strength assessment of the ocean engineering structure.

spectral analysis; ocean engineering;structure strength; assessment method

U661.43

A

1001-9855（2017）05-0038-05

第七代超深水鉆井平臺(tái)（船）創(chuàng)新專項(xiàng)（工信部聯(lián)裝［2016］24號(hào)）。

2017-04-01；

2017-04-17

錢笠君（1987-），男，工程師。研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.038