導管架非節點有限元簡化疲勞分析方法

包清華，馮 珩

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028）

導管架非節點有限元簡化疲勞分析方法

包清華，馮 珩

（中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028）

文章以一座已投入使用的導管架平臺裙樁套筒的設計為例，詳細介紹了復雜非管節點裙裝套筒結構的簡化疲勞分析方法：首先采用SACS程序對導管架平臺在波浪荷載作用下進行結構整體分析，選取簡化有限元疲勞分析中所需的荷載工況組、荷載和邊界條件，然后應用ALGOR程序建立裙樁套筒的有限元模型，施加荷載和邊界條件，并對應力分析輸出結果進行后處理得到疲勞分析結果。這種簡化疲勞分析方法及其分析結果得到了挪威船級社 （DNV）的認可，對導管架平臺非管節點，特別是對適度水深和深水導管架的裙樁套筒的疲勞設計具有參考意義。

海上導管架；裙樁套筒；有限元；疲勞評估

0 引言

海上導管架在大量波浪荷載往復作用下，即使所產生的名義應力較小，也會引起疲勞損傷。對于導管架典型節點，如T、Y、K、TK，雙面T和X型等節點，相關規范給出了用于計算節點焊縫的應力集中系數的計算公式，應用海洋工程結構專業分析軟件如SACS對這些典型節點的應力集中系數進行設定，從而可以通過軟件計算出典型管節點的應力，進而可以直接采用SACS等海洋工程結構專業軟件對其進行疲勞評估。因此可以看出，對于典型管節點疲勞特性的評估，通常采用軟件直接進行計算分析；而對于復雜非管節點的熱點應力計算，這些應力集中系數計算公式不再適用，SACS軟件也無法對其進行直接的疲勞特性評估。鑒于此，本文對簡化疲勞有限元計算方法進行了探討，介紹了一種用于海上導管架平臺復雜非管節點結構在波浪荷載作用下的有限元簡化疲勞分析方法。并以一座已投入使用的導管架平臺裙樁套筒的設計為例，詳細介紹了有限元簡化疲勞分析的方法和過程。這種有限元簡化疲勞分析方法及其分析結果得到了挪威船級社 （DNV）的認可，對海上導管架平臺非管節點的疲勞設計具有參考意義。

1 分析方法

有限元簡化疲勞分析方法包括如下分析過程：首先，根據導管架設計圖建立如圖1所示的導管架SACS整體分析模型，并對其進行整體分析，從而得到用于簡化疲勞分析的危險工況和位移邊界條件；然后采用ALGOR有限元分析軟件建立導管架最復雜部分裙樁套筒的有限元分析模型，如圖2所示，并對裙樁套筒有限元分析模型施加荷載和位移邊界條件，之后進行有限元分析；最后根據DNV疲勞規范進行導管架裙樁套筒的疲勞特性評估。

1.1 模型模擬

導管架裙樁套筒作為導管結構的重要組成部分，起著將導管架及上部組塊荷載傳遞到樁上的作用，模型包括撐桿、導管架腿、YOKE板、剪切板和帶有灌漿的樁和套 （見圖2）。在模型中，采用了4節點殼單元對撐桿、導管架腿、YOKE板、剪切板進行了模擬。管節點處有限元網格的尺寸接近于桿件的厚度，并且經過多次網格劃分，直到每次網格劃分后的計算分析結果只有略微變化為止。

裙樁套筒的灌漿連接部分采用8節點實體單元進行模擬，樁和套筒采用4節點殼單元進行模擬，灌漿部分的實體單元與樁、套筒之間的邊界條件采取耦合模擬，這表明灌漿實體單元與樁套筒殼單元的有限元網格連接節點將會有一致的位移邊界條件；導管架撐桿、導管架腿、樁的端部中心點被模擬成一個剛性節點，端部荷載及位移邊界條件被施加在這個點上。

1.2 材料屬性

裙樁套筒各個構件組成部分及灌漿連接部分分別為高強度鋼材和高標號水泥灌漿，其材料屬性如表1所示。

表1材料屬性

2 疲勞強度分析

2.1 加載

導管架裙樁套筒整體分析模型如圖3所示。采用SACS軟件對整體分析模型進行多個方向的波浪荷載分析，莫里森方程被用來計算由波浪產生的拖曳力和慣性力。根據整體分析結果選出波浪條件下的危險疲勞工況組，如表2所示，這個疲勞工況組將用來計算裙樁套筒節點處的應力幅。疲勞工況組是根據API規范進行選擇的，為具有一百年重現期的波浪荷載工況，其產生最大/最小基底剪力的相位與產生最大/最小傾覆力矩的波浪荷載工況相同，因此具有最大/最小基底剪力的荷載疲勞工況組被用于進行疲勞分析[1]。

表2 疲勞工況

從SACS整體分析結果輸出的導管架上每個節點的線位移和轉角位移分別如表3和表4所示。表中的節點編號所對應的節點如圖1和圖3所示。在有限元局部疲勞分析中，所有的這些節點線位移和轉角位移均作為邊界條件施加到模型相應節點端部。

表3 從SACS分析輸出的工況MAX下的節點線位移和轉角位移

表4 從SACS分析輸出的工況MIN下的節點線位移和轉角位移

2.2 疲勞評估

根據DNV規范，上述有限元簡化疲勞分析方法被用來進行疲勞特性評估。基于疲勞試驗的S-N曲線長期應力幅的分布是用來進行疲勞分析的一個基本要求，作為一種替代，威布爾分布被用來表示應力幅的長期分布，采用威布爾應力分布和S-N雙曲線，疲勞損傷表達式如下所示[1]：

當管節點板材的厚度大于規范規定的參考厚度時，允許應力幅值可以按下式進行計算得到[2]。

式中 σ0,t——最大允許應力幅值；

σ0,tref——根據S-N曲線得到的許用應力；

tref——參考厚度；

t——厚度；

k——厚度指數。

節點疲勞設計的設計壽命為二倍25年的服役壽命再加上2年的運輸疲勞特性[1]，為52年的設計疲勞特性；平均波周期為9.312 s。根據η=1.0，不同節點類型的允許應力幅如表5所示。

表5 允許應力幅

2.3 應力幅計算

與單元局部坐標系相應的每個工況的六個應力分量可以用來計算單元的正應力和剪應力，并根據如下公式可計算出單元的主應力，從而得到節點處單元的最大應力幅[3]。

式中 Δσx——工況MAX和MIN下x方向的應力差值；

σxx1，σxb1——工況MAX下x方向的應力，彎曲應力；

σxx2，σxb2——工況MIN下x方向的應力，彎曲應力；

Δσy——工況MAX和MIN下y方向的應力差值；

σyy1，σyb1——工況MAX下y方向的應力，彎曲應力；

σyy2，σyb2——工況MIN下y方向的應力，彎曲應力；

σ——主應力；

Δτxy——工況MAX和MIN下的剪應力差值；

τxy1， τxyb1——工況MAX下的剪應力，彎曲剪應力；

τxy2， τxyb2——工況MIN下的剪應力，彎曲剪應力。

2.4 疲勞分析結果

根據2.3節所述，可以計算出導管架裙樁套筒在疲勞工況組條件下節點處的最大應力幅，如表6所示。

從表6可以看出所有的最大應力幅值均小于允許的應力幅值，因而裙樁套筒的疲勞強度是符合規范要求的。

表6 裙樁套筒各構件的最大應力幅

3 結束語

本文所提出的有限元簡化疲勞分析方法可以用來評估導管架復雜結構非管節點的疲勞特性，其分析方法及分析結果得到DNV船級社的認同。這種方法可以用作其他海上導管架非管節點疲勞設計（尤其對適度水深和深水導管架結構的重要組成部分裙樁套筒的疲勞設計）提供了一種參考。

[1]DNV RP-C203，Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures［S］.

[2]API RP 2A-WSD （2002）,Recommended Practice for Planning,Desi gningandCastructingFixedPlatforms——WorkingStressDesign［S］.

[3]蘇翼林.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1998.

Simplified FEM Fatigue Analysis Method for Non-tubular Joint of Jacket Platform

BAO Qing-hua（China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）,FENG Heng

Taking an in-service jacket platform as an example,this paper studies the simplified fatigue analysis method for the skirt pile sleeve （which is a complex non-tubular joint structure） of a jacket platform subjected to wave load.SACS software was used for global structural analysis for the jacket platform under multi-directional wave loads,the load case set and loads and boundary conditions needed in the simplified FEM fatigue analysis were chosen,then ALGOR software was used to build a finite element model and perform finite element analysis.After stress output post-processing,the fatigue analysis results were obtained.This simplified fatigue analysis method and its analytical results were recognized by DNV,that means the simplified fatigue analysis method is effective and can be used in fatigue design for the non-tubular joint structure of an offshore jacket.

offshore jacket;skirt pile sleeve;EFM;fatigue assessment

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0038－04

包清華（1973-），男，重慶人，工程師，1998年畢業于天津大學，現從事海洋工程結構設計和研究工作。

2011-08-10