復雜應力狀態下樁腿節點多軸疲勞壽命評估

劉英芳，劉洪峰，姜福洪，傘立忠，王延鳳，徐萬雄

(大連船舶重工集團設計研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

復雜應力狀態下樁腿節點多軸疲勞壽命評估

劉英芳，劉洪峰，姜福洪，傘立忠，王延鳳，徐萬雄

(大連船舶重工集團設計研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

引入了一種多軸疲勞壽命評估方法，并對該方法的疲勞評估流程進行研究。使用該方法聯合熱點應力法對國際公開發表的250多個疲勞試驗數據進行多軸疲勞壽命預測，驗證了該方法多軸疲勞壽命預測的精確度。最后使用該方法成功對自升式平臺K型樁腿節點進行了多軸疲勞壽命評估，可為提高樁腿節點疲勞壽命預測的準確性提供有益參考。

自升式平臺；管節點；應力集中；多軸疲勞

0 引 言

自升式平臺在復雜海況環境下作業，受到風、浪、流的交互作用，導致平臺結構內部出現局部應力集中現象，進而發生疲勞破壞。樁腿節點作為平臺結構的主要受力構件，其應力狀態一般是多軸交變的。目前海洋工程業內普遍使用單軸疲勞理論對樁腿節點疲勞強度進行校核，而多軸疲勞壽命研究較少[1-4]。通常做法是將樁腿節點的受力簡單分為軸向載荷、面內彎曲載荷和面外彎曲載荷，分別計算在各單軸載荷作用下的樁腿節點疲勞壽命，然后將這三種基本載荷進行簡單組合[5-8]，但仍然按照單軸疲勞理論進行分析。然而，傳統單軸疲勞理論僅能將非比例載荷當做比例載荷處理，而不能有效考慮非比例載荷中相位角不同所引起的疲勞壽命變化的問題。上述做法不僅與樁腿的真實受力情況不符，而且由于多軸疲勞與單軸疲勞在損傷機理上本就存在不同，因此使用單軸疲勞理論對樁腿節點進行壽命評估易產生較大誤差。

為解決上述問題以提高樁腿節點疲勞壽命預測的準確性，本文引入一種國際上成熟的多軸疲勞壽命評估準則[9-10]，使用熱點應力法(HSS)，建立了一種能夠用于樁腿節點的多軸疲勞壽命預測方法。該方法以多軸疲勞理論為基礎，可以實現對復雜應力狀態作用下樁腿結構疲勞壽命的精準預測。

1 多軸疲勞壽命評估方法

Susmel[9-10]提出的修正沃勒曲線法(MWCM)是一種基于臨界面法的多軸疲勞壽命預測方法，在多軸疲勞壽命預測方面具有較高精度。MWCM認為裂紋在材料的最大剪應力面萌生，垂直于最大剪應力面的法向正應力有助于裂紋的擴展。定義最大剪應力幅面為疲勞臨界損傷面，以臨界面上最大剪應力范圍Δτ和最大正應力范圍Δσn作為多軸疲勞損傷計算參量，得到具體控制方程及多軸疲勞壽命計算公式[9-10]。

MWCM通過對傳統應力-壽命(S-N)曲線修正得到剪切應力形式表示的Δτ-N雙對數曲線，如圖1所示。圖中kτ(ρw)為曲線斜率負倒數，定義為反向斜率；ΔτA,Ref(ρw)為參考剪應力范圍，即Δτ-N曲線的拐點；ρw=Δσn/Δτ。分析純拉伸和純扭轉兩種情況下ρw取值不同，kτ(ρw)和ΔτA,Ref(ρw)也各不相同。

圖1 修正的沃勒曲線Fig.1 Modified W?hler diagram

具體地，在純拉伸循環載荷作用下，ρw、kτ(ρw)和ΔτA,Ref(ρw)取值為

在純扭轉循環載荷作用下，ρw、kτ(ρw)和ΔτA,Ref(ρw)

取值為

式中：ΔσA和ΔτA分別是疲勞失效壽命為NA時拉伸S-N曲線和扭轉S-N曲線對應的正應力范圍和剪切應力范圍。

kτ(ρw)、ΔτA,Ref(ρw)分別與ρw存在簡單線性關系：

式中：ρw,lim為應力極限值，在本文中取1.4；C為常數。

式(1)～(4)即為MWCM的具體控制方程和多軸疲勞壽命計算公式。

根據式(3)、式(4)以及圖1所示的Δτ-N曲線，可進一步計算焊接結構的多軸疲勞循環次數Nf：

由式(5)可知，在復雜載荷作用下，當疲勞評估點的多軸疲勞損傷參量ρw和Δτ確定時，疲勞壽命即可確定，而與載荷的復雜程度無關。

MWCM使用熱點應力法的評估流程如圖2所示。首先提取結構的熱點應力張量，處理計算得到最大剪切應力面上的疲勞損傷計算參量，然后根據MWCM的具體控制方程及疲勞壽命計算公式進行壽命評估。

圖2 MWCM評估流程Fig.2 Assessment diagram of MWCM

2 多軸疲勞壽命評估方法精度驗證

為驗證MWCM的準確性，本文選用多篇國際公開發表的焊接結構疲勞試驗文獻共250多個數據進行驗證。試件信息與模型圖如表1和圖3所示。MWCM使用熱點應力法進行多軸疲勞壽命預測，多軸疲勞載荷分為比例載荷和非比例載荷疲勞數據，并將預測結果匯總表示在圖4所示的雙對數精度驗證圖中。在圖4中，橫軸為預測壽命Nf,est，縱軸為實驗壽命Nf,exp，并畫出1倍誤差帶和3倍誤差帶。由圖4預測結果看出，MWCM 80%以上的預測結果均落于3倍誤差帶范圍內，非比例載荷的預測結果偏于安全。而傳統單軸疲勞方法由于不考慮非比例載荷的相位角對疲勞壽命的不利影響，其預測結果往往偏于危險。由此可知無論是從預測精度還是從工程應用的安全性考慮，MWCM的預測結果均較為理想。

表1 試件信息Table 1 Specimen data

注：B為彎曲載荷；T為扭轉載荷；Te為拉伸載荷。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element models

圖4 MWCM使用熱點應力法的多軸疲勞壽命預測精度Fig.4 Accuracy of the MWCM applied in terms of HSS

3 樁腿節點的多軸疲勞壽命預測

本節應用MWCM聯合熱點應力法對某自升式平臺K型樁腿節點進行多軸疲勞壽命預測，幾何模型示意圖及幾何參數見圖5和表2。

樁腿結構設有齒輪齒條式升降裝置，樁腿主弦管直接與齒條板焊接。本文忽略焊縫影響，使用殼單元模擬弦管和支管結構，以塊體單元模擬齒條板。弦管與齒條之間的焊接連接通過將殼單元與體單元相接部位的重合節點自由度耦合來模擬。焊縫區域網格尺寸t×t，對弦管兩端和其中一根支管剛固，在另一根支管末端分別施加軸向載荷AX、面內彎曲載荷IPB和面外彎曲載荷OPB等載荷組合。圖6和圖7為K型管節點有限元模型圖及約束載荷圖。

圖5 K型管節點幾何參數示意圖Fig.5 Geometries of K joint

表2 K型管節點幾何尺寸Table 2 Geometric dimensions of K joint

主管直徑D/mm主管長度L/mm主管壁厚T/mm支管直徑d/mm支管長度l/mm支管壁厚t/mm角度θ/(°)支管間距g/mm齒條厚度Track/mm50060002828025001445200150

圖6 K型管節點有限元模型Fig.6 Finite element model of K joint

圖7 約束載荷Fig.7 Loading and constrains

簡單選取支管冠點作為疲勞評估點，具體載荷信息和多軸疲勞壽命預測結果如表3所示。載荷工況選用純彎曲、純拉伸、同相載荷以及非比例載荷，并包含平均應力影響。由表3可知工況5～8包含平均應力影響，其預測壽命低于工況1～4，表明平均應力對樁腿焊接管節點的疲勞壽命是不利的。

表3 載荷信息及疲勞壽命預測結果Table 3 Loading cases and estimated results of fatigue life

4 結 語

MWCM使用熱點應力法的多軸疲勞壽命預測具有較高精度，并且其預測結果偏于安全，適于工程應用。本文應用MWCM成功對樁腿節點進行了多軸疲勞壽命預測，驗證了該方法應用于樁腿節點疲勞壽命預測的可行性，可為提高樁腿節點疲勞壽命預測準確性提供有益參考。

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MultiaxialFatigueAssessmentofPileLegJointunderComplexStressState

LIU Ying-fang, LIU Hong-feng, JIANG Fu-hong, SAN Li-zhong, WANG Yan-feng, XU Wan-xiong

(DalianShipbuildingIndustryEngineeringandResearchInstituteCo.,Ltd.,Dalian,Liaoning116005,China)

A new multiaxial fatigue criterion is introduced. In combination with the hot spot stress method, it is used to estimate the fatigue life of about 250 test specimens published in international open literature, through which the accuracy of the new method is verified. Finally we use the new method to do a successful fatigue life assessment of the pile leg joint. This research provides an available reference to improve the accuracy of the fatigue life prediction of pile leg joint.

jack-up platform; tubular joint; stress concentration; multiaxial fatigue

U661.43

A

2095-7297(2015)02-0075-05

2015-01-22

國家發改委海洋工程裝備研發及產業化專項(自升式生產儲卸油平臺研發設計；自主知識產權系列化自升式鉆井平臺設計建造技術研發及產業化)

劉英芳(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事海洋工程結構強度與疲勞計算研究。