在役平臺結構疲勞評估的工程計算法

馮國慶, 任慧龍, 陳北燕, 李 輝

(哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001)

在役平臺結構疲勞評估的工程計算法

馮國慶, 任慧龍, 陳北燕, 李 輝

(哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001)

論述了疲勞譜分析方法的基本原理,研究了在役平臺的結構疲勞強度評估的工程計算方法,并以該方法對某一在役半潛式平臺進行了疲勞強度的評估。結果表明,該方法易于實施,所作評估比較合理。

在役平臺;結構;疲勞強度

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

對于不斷遭受交變載荷作用的海洋平臺而言,結構的疲勞破壞是其主要的失效模式之一。特別是已經服役多年的在役平臺,由于腐蝕,磨損等因素的影響,使得平臺結構抵抗疲勞破壞的能力不斷下降,為此對在役平臺結構疲勞作出評估,從而確定剩余疲勞強度和剩余疲勞壽命,對在役平臺結構安全和延壽具有理論意義和工程應用價值。本文對在役平臺的疲勞強度評估方法進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

海洋波浪的長期狀態通常可以看成是由許多短期海況的序列組成。對每一短期海況,把波浪作為一個平穩正態隨機過程來研究。某一海況在給定浪向角θ時的交變應力過程可視為均值為零的窄帶平穩隨機過程,其應力范圍 S服從Rayleigh分布,概率密度函數為

式中:S表示應力范圍;σX為交變應力過程的標準差。

上述給定浪向角θ時的應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)為應力響應頻響函數;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

交變應力過程的標準差σX可按(4)式得到,即

交變應力過程的跨零率 f0的表達式為

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

設所考慮的回復期為 Td,平臺工作區域有nS個海況,各海況出現的概率為pi,劃分的浪向數為nH個,各浪向出現的概率為 pj,則式(6)中的 Tij=Td·pi·pj。再將 fSij(S)的表達式(1)代入式(6),經積分整理后,可得回復期內的疲勞累積損傷度 DT為

設所考慮的平臺在第 i海況和第j浪向中工作時間為 Tij,并用 Dij表示在 Tij期間的累積損傷度,根據Miner線性累計損傷理論,Tij期間的疲勞累積損傷度可表示為

2 在役平臺疲勞評估工程計算法

對于已服役過一段時間的結構構件,考慮其服役期間的疲勞損傷 DP及該損傷的不確定因素α,可得到節點的剩余疲勞強度DR:

式中 FD F為疲勞設計參數。根據文獻[1]規定,疲勞設計參數 FD F對于參與總縱強度的甲板上的關鍵部位的節點取3,而對于其普通部位的節點取2;對于水下浮體的關鍵部位的節點取5,普通部位的節點取3;但是對難于檢測的細節處,關鍵部位的節點取10,普通部位的節點取5。

對于不確定因素α,當原疲勞損傷數據明確的情況下取1.0,否則取大于1.0的數值。

DP根據(9)式進行計算

式中:TP為已服役的時間;Td為回復期(取為20年);DT為 Td對應的累積損傷。

因此,疲勞強度評估公式為

式中D為剩余服役時間或延壽期內的累積疲勞損傷。

剩余疲勞壽命 TR可按式(11)計算

或按式(12)計算

3 算例

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

3.1 疲勞載荷計算

根據線性勢流理論計算疲勞載荷。疲勞載荷計算共劃分了1 348個網格,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個頻率。

3.2 有限元模型化

圖1 水動力計算網格

圖2 總體有限元模型

圖3 細化有限元模型

有限元模型采用空間的板梁組合結構。骨材尺寸及板厚根據圖紙資料及測厚報告而定。其總體有限元模型如圖2所示。對于需要進行疲勞校核的局部結構細節,采用t×t的細化有限元網格,本文中的局部細化網格采用內嵌式網格細化方法,即在總體有限元模型中,嵌入細化有限元網格,如圖3所示,疲勞校核點如圖4所示。

3.3 應力頻響函數

將波浪動壓力施加到有限元模型上,計算得到結構應力響應。在對計算點的應力進行線性外插得到熱點應力后,再慮及板厚修正[1],即可得到計算點的應力頻響函數,分別如圖5、圖6、圖7所示。

圖4 計算點細化有限元模型

3.4 剩余疲勞強度及剩余疲勞壽命

得到各計算點的應力頻響函數后,采用文獻[1]中的 E曲線,并采用式(8)及式(11)計算得到各計算點的剩余疲勞強度及剩余疲勞壽命,本例中 FD F取為5,α取為1.5,結果如表1所示。

表1 剩余疲勞強度及剩余疲勞壽命

圖5 計算點1應力頻響函數

3.5 不確定因素及疲勞設計參數的影響

為了考查不確定因素α及疲勞設計參數 FD F對剩余疲勞強度的影響,本文以節點1為例進行了分析,結果如表2所示。

表2 不確定因素及疲勞設計參數的影響

由表2可知,相對于不確定因素α,疲勞設計參數 FD F對剩余疲勞強度的影響更為明顯。為在工程實際中合理評價在役平臺結構的剩余疲勞壽命,需要合理確定疲勞設計參數 FD F和不確定因素α。在沒有工程經驗數據可供參考的情況下,疲勞設計參數FD F可以根據文獻[1]規定進行選取,即對參與總縱強度的甲板上的關鍵部位的節點取3,而對其普通部位的節點取2;對水下浮體的關鍵部位的節點取5,普通部位的節點取3;但是對難于檢測的細節處,關鍵部位的節點取10,普通部位的節點取5。不確定因素α可以取為1.5。

4 結束語

在役平臺結構疲勞強度評估是平臺結構安全評估的重要內容之一。本文以某半潛式平臺為例,對在役平臺結構疲勞強度評估方法進行了研究,得到以下結論:

(1)在役平臺結構疲勞強度評估的工程計算法較為簡便,是一種對在役平臺結構進行疲勞強度評估的有效方法。(2)不確定因素α及疲勞設計參數FD F需要合理確定。在沒有工程經驗數據可供參考的情況下,可按本文給出的方法進行選取。

[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.

[4] Dean,R G.Relatively Validates of Water Theories[J].Proceedings of ASCE Journal of the Waterways and Harbors Division.1970,96(ww1).

[5] Det Norske Veritas.Classification notes No.30.5:Environmental conditions and environmental loads[S].2000.

[6] American Bureau of Shipping.Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structure[S].2004.

[7] Journée J M J,Massie W W.Offshore hydromechanics[J].Delft University of Technology,2001.

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境載荷與結構強度評估的研究。