基于譜分析的自升式平臺疲勞強度評估方法研究

摘 要：疲勞損傷是大型海洋平臺結構破壞的主要模式之一，在結構設計階段進行疲勞強度安全性評估是十分必要的。本文以一自升式平臺為例，通過對其疲勞載荷進行直接計算，基于S-N曲線和Miner疲勞累計損傷機理，采用譜分析方法對典型節點進行了疲勞強度分析。本文方法為自升式平臺的疲勞強度評估提供重要的參考意義。

關鍵詞：自升式平臺；疲勞；譜分析；有限元

中圖分類號：U661.43 文獻標識碼：A

1 引言

疲勞破壞是海洋工程結構主要的失效模式[1]之一，海洋環境的復雜性、隨機性導致自升式平臺的設計載荷往往得不到合理的考慮。此外，自升式平臺長期受環境載荷的持續作用，其結構中產生大小交替變化的應力，極易發生疲勞破壞，從而威脅整個平臺的安全。因此，對自升式平臺進行準確合理的疲勞計算是十分必要的。

自升式平臺工作狀態下受到風、浪、流等環境載荷作用，其中波浪載荷是主要的疲勞載荷，通常采用Morison公式計算[2]。自升式平臺工作海域水深較大。結構自身柔性也較大，因而平臺結構的固有周期也將增加，導致結構與海洋環境共振的可能性隨之增大。ABS規范[3]規定：工作水深100m以上的自升式平臺須進行動力分析。因此，對自升式平臺結構而言，動力效應對結構疲勞強度的影響不可忽略。

海洋工程的疲勞問題主要基于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，可進一步分為疲勞設計法和疲勞分析法兩種[4]：前者即為疲勞許用應力法，諸多船級社規范常采用此類方法；后者又分為簡化分析法和譜分析法，在海洋工程疲勞可靠性分析的所有方法中，譜分析法被認為是最精確的。譜分析方法概念清晰，物理意義明確，這種方法避免了得到“簡化疲勞載荷”與“簡化應力公式及其組合”過程中出現的各種問題，但也存在計算工作量大、技術要求高的問題，各船級社也幾乎沒有在其規范中提出基于譜分析的疲勞評估直接計算法的完整解決方案，因此提出一套完整的基于譜分析的疲勞強度評估方法具有重要的工程意義。

目前國內外已有很多學者在船舶與海洋工程領域對結構疲勞問題進行了研究：Guedes Soares[5]研究了船舶結構疲勞設計中波浪誘導載荷的不確定性的長期模型，并提出了疲勞長期weibull分布的參數經驗公式；Tao Xu[6]曾對船舶與海洋工程結構的疲勞強度、疲勞載荷以及疲勞可靠性等方面的新發展和存在的問題進行了較為全面的介紹；Xiaoping H[7]提出了實用于工程應用的變幅值載荷作用下的疲勞增長模型，可方便用于海洋工程和船舶的疲勞評估；彭程[8]采用模態疊加法對自升式平臺進行了瞬態動力分析，并應用“設計波法”和“譜分析法”對平臺的部分關鍵構件進行了疲勞分析；竺一峰[9]采用譜分析的理論并根據API推薦的曲線，應用Miner法則，預測了自升式樁腿管節點疲勞損傷。

本文以一自升式平臺為例，采用Morison公式對隨機疲勞載荷進行直接計算，并基于S-N曲線和Miner疲勞累計損傷機理，采用譜分析方法對典型節點進行了疲勞強度分析，以得到一種對海洋工程具有參考意義的疲勞強度評估方法。

2 譜分析法基本原理

基于譜分析的疲勞評估直接計算是相對簡化分析方法而言的，譜分析法直接由波浪載荷計算程序得到疲勞載荷，進而通過結構有限元分析得到疲勞應力響應和應力范圍，最后基于S-N曲線和Miner疲勞累計損傷機理計算平臺壽命期的疲勞損傷，對結構疲勞強度進行評估。其疲勞評估的過程見圖1。

進行平臺有限元建模時，單元和網格的劃分按ABS直接計算指南的有關規定進行：各類板、殼構件，強框架、縱桁、平面艙壁的強桁材等盡量用四節點板殼單元模擬，網格形狀盡量接近正方形，部分過渡區域的板結構采用三角形單元模擬；對于節點校核部位以及角隅應力集中處采用局部模型細化，細化網格采用四邊形單元，細長比盡量接近于1；取泥面以下3m鉸支作為平臺邊界條件，同時將該水平面內其余點用MPC與之相關聯，結構模型見圖3。

4.3 結果分析

本文按照規范規定，計算節點的疲勞強度時S-N曲線采用Class ‘T’ ABS Offshore S-N Curves曲線。由于疲勞載荷的對稱性，本文認為樁腿B和C的疲勞壽命對稱相等，因此僅對其一進行計算，工作水深為91.44m時的平臺疲勞計算點的計算結果見表2。

計算結果表明，對于目標自升式平臺而言，疲勞問題未顯得特別突出，在現有分析條件下，疲勞強度滿足要求。對于水線面處的結構，弦桿和撐桿交接處節點的疲勞累計損傷要大于水平撐、斜撐交接處節點，在設計時需要考慮其疲勞問題。

5 結論

本文以某自升式平臺為例，考慮動力效應，對疲勞載荷進行直接計算，并基于S-N曲線和Miner疲勞累計損傷機理，采用譜分析方法對典型節點進行了疲勞強度分析，研究結果表明：

1）基于譜分析的疲勞壽命計算方法，適用于自升式平臺結構的疲勞強度評估；

2）對于目標自升式平臺而言，疲勞問題并未顯得特別突出，在現有分析條件下，疲勞強度滿足要求。對于水線面處的結構，弦桿和撐桿交接處節點的疲勞累計損傷要大于水平撐、斜撐交接處節點，在設計時需要考慮其疲勞問題。