基于NCODE軟件的五樁導管架焊縫疲勞壽命分析

□曹廣啟

上海電氣風能有限公司　上海　200241

基于NCODE軟件的五樁導管架焊縫疲勞壽命分析

□曹廣啟

上海電氣風能有限公司上海200241

五樁導管架是海上風機的基礎形式之一，主要由鋼結構件焊接而成。由于焊縫的疲勞強度低于母材，疲勞破壞通常發生在焊縫位置處。借助NCODE軟件的虛擬應變片，按照挪威船級社（DNV）疲勞設計規范的要求，通過選取焊縫區域的熱點應力進行插值的方法，求得熱點焊縫焊趾位置處的應力譜，然后進行焊縫疲勞壽命分析，這是研究復雜接頭形式焊縫疲勞壽命最有效的方法之一。

海上風電相比陸上風電具有無可比擬的優越性，近年來在我國得到了大力發展。海上風機基礎形式比較多，常見的有單樁基礎、重力式基礎、導管架基礎、樁基—承臺基礎等［1］。我國海底淤泥比較深，海床土體承載能力比較差，因此對于單機容量比較大的風電機組，基礎形式多選用導管架基礎。筆者選用某項目使用的五樁導管架基礎，進行焊縫疲勞壽命分析。五樁導管架由鋼結構件焊接而成，由于焊接是一種復雜的熱加工行為，即使采取嚴格的質量管控措施，仍然會存在一些焊接缺陷，加之焊縫的疲勞強度低于母材，在隨機載荷作用下五樁導管架焊縫位置處會產生瞬變型和漸進型疲勞破壞，使用壽命會縮短，因此，選擇合理的分析方法對五樁導管架焊縫疲勞特性進行研究是十分必要的。

1　焊縫疲勞壽命分析方法

焊縫疲勞壽命分析方法有名義應力法、切口應力法和熱點應力法［2］。名義應力法根據焊接接頭的形狀和受力特性按照EN 1993-1-9《鋼結構的疲勞強度》選取相應的焊接細節分類等級進行疲勞壽命分析，不同的細節等級對應不同的S-N曲線（應力壽命曲線）［3］。名義應力法使用簡單，但對于復雜的焊接接頭很難準確選取名義應力，因而分析結果的分散性較大，無法真實反映焊縫的疲勞特性，在工程領域的應用進而受到限制。切口應力法考慮了焊趾部位局部幾何形狀及大小等細節因素對焊縫疲勞特性的影響，能夠比較真實地反映焊縫疲勞損傷情況，但該方法對焊趾部位幾何參數的選取非常敏感，難以應用于實際的工程項目。

隨著有限元分析法與計算機技術的結合，出現了采用熱點應力進行疲勞分析的方法，即熱點應力法。該方法選取最大結構應力或結構中危險截面上危險點的應力進行計算分析［4］。焊接接頭受到缺口效應的影響，會導致焊縫焊趾處局部應力較大，因此根據DNV-RP-C203《海上鋼結構疲勞設計規范》［5］，一般將焊趾選為熱點進行焊縫疲勞分析。熱點應力法對焊接接頭幾何形狀及尺寸在焊趾處所造成的應力集中進行分析，忽略焊縫形狀、裂紋及缺口等因素所引起的局部應力集中。由于結構的非連續性，很難用常規分析方法進行確定，采用熱點應力法分析時需要與有限元軟件結合，對于選取的熱點區域，有限元網格必須做細化處理，從而保證計算的精度。

2　焊縫熱點選取及S-N曲線構建

獲得熱點應力及該熱點對應的S-N曲線是熱點應力分析的兩個核心問題。一般選用表面外推法來計算熱點應力，即選取距離焊趾表面一定距離的兩點或三點處的應力，進行線性或二次插值計算來確定。為了準確捕捉幾何應力集中，外推點必須位于焊趾缺口效應影響區以外且距離焊趾足夠近。對于五樁導管架而言，熱點應力通常位于管節點連接處，根據DNV-OS-J101《海上風機設計規范》［6］，可以利用幾何應力區和焊趾之間進行線性插值求得名義上的熱點應力，熱點應力的插值如圖1所示。

圖1　管節點熱點應力插值法

得到結構熱點應力后，必須獲得與之相對應的Shot-N曲線才能對接頭處焊縫疲勞性能進行分析研究，與常規的S-N曲線不同，Shot-N曲線考慮了接頭類型及幾何尺寸引起的應力集中效應，因而計算結果的分散性較小，能更好地滿足設計要求。由于不同行業對于結構熱點應力的定義及熱點位置的選取有不同的理解，因而目前還沒有統一的Shot-N曲線構造標準，經過Maddox［7］的大量試驗及多國船級社的分析研究，得出Shot-N曲線95%的置信區間位于“FAT94”以上的位置，“FAT”是國際焊接協會（IIW）所采用的S-N曲線標準，“94”表示該曲線兩百萬次疲勞壽命所對應的應力幅值為94 MPa。由于FAT94和FAT90非常接近，而DNV推薦的熱點應力“D”曲線與FAT90是一致的，美國船級社推薦的“D”曲線與FAT90也非常接近，因而目前多采用FAT90作為焊縫熱點應力疲勞分析時的Shot-N曲線，即107次對應的常幅疲勞極限為52.63 MPa，108次對應的截止極限為33.2 MPa。綜合考慮海水腐蝕環境對管節點疲勞壽命的影響，可以得到海水環境下管節點Shot-N曲線參數如圖2所示（圖中m為載荷級數）。

圖2　海水環境下管節點Shot-N曲線

3　疲勞累積損傷理論及疲勞設計因子

目前常用的疲勞累積損傷理論有線性累積損傷理論（Palmgren-Miner準則）、雙線性累積損傷理論、非線性累積損傷理論、基于熱力學勢的累積損傷理論和概率疲勞累積損傷理論。考慮到各理論模型的復雜程度及計算結果的準確性，目前工程應用中使用最廣泛的是線性累積損傷理論。

Palmgren-Miner準則是根據功能原理推導出的累積損傷計算公式，該理論假設構件在m級載荷（σ1，σ2，…，σm）作用下被破壞，各級載荷循環次數為n1，n2，…，nm，即構件經過多次循環后被破壞。設構件破壞時吸收的凈功為W，各級載荷下各構件吸收的凈功分別為（W1，W2，…，Wm），則W=W1+ W2+…+Wm。設第i級載荷單獨作用下一直到構件破壞的循環次數為Ni，在不考慮安全因數時有：

從式（1）可以看出，Palmgren-Miner準則沒有考慮載荷順序對疲勞累積損傷的影響，因而有一定的缺陷性。根據DNV-OS-J101《海上風機設計規范》，對海上風機基礎進行疲勞壽命分析時，需要根據基礎所處的腐蝕環境引入疲勞設計因子DFF（見表1）。五樁導管架腐蝕環境包含了大氣區、飛濺區、全浸區、沖刷區及沖刷區以下，在基礎焊縫疲勞壽命分析時，疲勞設計因子統一取3，考慮疲勞設計因子后的疲勞損傷需要滿足式（2）的要求：

4　疲勞載荷

作為海上風機基礎的五樁導管架不僅需要承受波浪的隨機載荷，還要受到海風和風機運行時的疲勞載荷作用。根據DNV-OS-J101《海上風機設計規范》，對于海上風電機組必須同時考慮風波作用下基礎結構的疲勞強度，但是不能簡單地將二者進行疊加，而是必須進行耦合處理。風機在海風作用下對下部基礎會產生一個隨機的疲勞載荷，該載荷不僅與海風的隨機特性有關，還與風機的運行工況有關。波浪對風機基礎產生的隨機疲勞載荷受波高、波浪周期等波況的影響。洋流會影響到海水的動水因數，原則上也需要考慮洋流引起的隨機疲勞載荷，但多數情況下洋流流速較小，洋流引起的隨機疲勞載荷可以忽略。

表1　疲勞設計因子

通過載荷計算軟件AEROFLEX得到風載荷和波浪載荷的時間序列文件，根據風波的相互關系進行風波疲勞載荷的耦合。疲勞載荷的時間序列文件不僅可以描述某種現象或某些指標的歷史發展規律，還可以對未來的發展趨勢作出預測［8］，非常適合風電機組的疲勞壽命分析。對于耦合以后的風波疲勞載荷時間序列文件，可以通過NCODE軟件的Schedule Create模塊建立各個疲勞載荷的時間序列文件循環次數，然后通過DutyCycle模塊進行加載使用，NCODE中使用的疲勞載荷時間序列文件如圖3所示。

圖3　疲勞載荷時間序列

在AEROFLEX軟件中，各工況模擬的時間均為600 s，可以分別給出Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz6個載荷分量的時間序列文件，每個載荷工況時間序列文件中的時間乘以對應的循環次數即為20 a壽命期內的疲勞載荷時間分布情況。由于各工況載荷的時間序列文件比較大，圖4只列出了CH-dlc12-a1工況在單次循環時的Fx-時間關系曲線，其中橫軸為時間（s），縱軸為Fx（kN），圖中Tower h=0.00 m表示塔筒底部與五樁導管架上法蘭的連接面。

圖4　單個載荷分量時間序列文件

5　有限元模型的建立

五樁導管架所處海床土壤條件依次為淤泥、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉土和粉砂5種土壤，海床土體間接影響五樁導管架樁基的承載能力和抗變形能力。以往工程經驗表明，對群樁基礎進行分析計算時，如果將樁基完全固結是不合理的，必須考慮樁基和海床土體之間的相互作用［9］。根據海床土體的P-y曲線（其中P為土體反力，y為位移），在ANSYS Workbench軟件中采用非線性彈簧對海床土體與五樁導管架之間水平方向的相互作用進行數值模擬，五樁導管架樁基底端采用固定約束，最終的有限元模型如圖5所示。

五樁導管架的有限元模型建立完畢后，在ANSYS Workbench軟件中設置相應的載荷步，添加單位載荷進行求解，方便后續疲勞分析工作。由于五樁導管架管節點比較多，而風載荷在疲勞載荷中所占的比重較大，因此綜合考慮五樁導管架相對于主風向的布置情況及疲勞分析的工作量，選取焊縫疲勞損傷最嚴重的一處區域作為熱點進行疲勞壽命分析，并按圖1所示的管節點插值方法將有限元模型中的插值節點提取出來，如圖6所示。

圖5　五樁導管架模型

圖6　焊縫熱點區域插值節點

6　基于NCODE軟件的疲勞分析

根據五樁導管架管節點Shot-N曲線，基于最大主應力，即MaxPrincipal進行第一輪疲勞壽命分析，找出圖6插值節點中疲勞損傷最嚴重的5處位置作為熱點，開展進一步分析，NCODE疲勞分析流程如圖7所示，焊縫各節點疲勞損傷結果如圖8所示，損傷值最大為0.2 318。

圖7　NCODE疲勞分析流程

對于每個焊縫熱點位置，在垂直于焊縫方向使用NCODE軟件的Gauges模塊添加2個虛擬應變片，其中熱點1的虛擬應變片如圖9所示。

應變片添加完畢后，通過Virtual Strain Gauge模塊可以提取各個工況在單次疲勞載荷作用下的應力譜，熱點1在CH-dlc12-a1工況下的Gauge1和Gauge2虛擬應變片位置應力譜如圖 10所示。NCODE在提取應力譜時會根據載荷時間序列文件中數據量的多少自動設置應力譜的時間步長，筆者使用的疲勞載荷時間序列文件時間步長為0.1 s，總時間為600 s，而提取應力譜的時間步長為1 s，雖然應力譜顯示的時間與疲勞載荷時間序列文件中顯示的時間不一致，但總的數據量保持不變。

對5個熱點位置中各應變片在各工況下得到的應力譜按圖1所示的插值方法，使用NCODE的Time Series Calculator模塊插值得到各個熱點位置處的應力譜，再通過RainflowCycle Count模塊進行雨流計數，可以得到各應力譜的雨流圖，其中熱點1在CH-dlc12-a1工況下的雨流圖如圖11所示。雨流計數法也稱塔頂法，計數原理是把載荷—時間歷程的時間軸向下，想象有一塔形屋頂，雨流從內側開始，并繼續往下流，根據雨流跡線來確定載荷循環。雨流計數法最大的優點是求得的應力循環與應力—應變遲滯回線求得的應力循環一致，用雨流計數法得到的應力循環求得的疲勞壽命最切合實際。由于雨流圖代表了應力譜的馬爾可夫矩陣，在將應力譜轉換成雨流圖的過程中，需要確保各雨流圖的上下限一致，從而便于之后進行雨流圖的組合。

圖8　焊縫各節點疲勞損傷結果

圖9　熱點1虛擬應變片

圖10　熱點1應力譜（CH-dlc12-a1工況）

圖11　熱點1雨流圖（CH-dlc12-a1工況）

得到各個熱點在各工況下的雨流圖后，可以使用NCODE的Schedule Create模塊求得單個熱點在各工況完整循環次數作用下的直方圖組合，具體計算過程是：將各工況單次疲勞載荷作用下得到的雨流圖中的統計數與圖3中的Repeat Count相乘，得到各工況完整設計壽命期內的雨流圖，然后使用Histogram Manipulation模塊即可求得單個熱點在所有工況作用下的雨流圖，熱點1組合后的雨流圖見圖12。

獲得每個熱點位置在整個疲勞載荷作用下的雨流圖后，可以借助NCODE GlyphWorks模塊中的SN疲勞分析功能對焊縫進行基于熱點應力的疲勞壽命分析。由于平均應力會影響到疲勞壽命，對于同樣的應力幅值，平均應力越高，疲勞損傷的累積就越迅速，疲勞壽命也就越短，因此在進行應力壽命分析時，必須對平均應力進行修正。根據DNV規范的要求，在進行平均應力修正時常用的是Goodman修正法。Goodman修正法用直線替代實際疲勞極限應力線，從而得到一種簡化的疲勞極限曲線［10］。該曲線綜合考慮了疲勞應力幅、平均應力、材料性能等因素的影響，用直線連接縱軸上的對稱循環疲勞極限點來代替實際疲勞極限應力線，并用屈服極限作為應力限界對實際疲勞極限曲線進行塑性修正。目前Goodman修正曲線已廣泛應用于疲勞強度設計中，如圖13所示。

圖12　熱點1直方圖組合后雨流圖

圖13　Goodman修正曲線

NCODE的S-N疲勞分析流程圖如圖14所示。最終的分析結果見表2。從表2可以看出，通過熱點應力插值計算得到的焊縫疲勞損傷值略高于圖8中的結果，但仍然滿足式（2）的要求。

圖14　NCODE的S-N疲勞分析流程圖

表2　應力譜損傷計算結果

7　結論

在進行焊接件的疲勞壽命分析時，研究的重點通常是焊縫的疲勞壽命，而傳統的名義應力法由于自身的局限性，有時很難解決工程實際問題。絕大部分焊接件的焊縫疲勞壽命分析都可以使用熱點應力法進行，熱點應力法求解的關鍵是熱點應力Shot-N曲線的構建及熱點應力的外推。根據DNV規范要求，在進行焊縫熱點應力Shot-N曲線的構建時，不僅需要考慮焊縫的熱點類型，還需要考慮焊縫所處的腐蝕環境。焊縫熱點應力的外推是一件非常復雜的工作，借助NCODE的虛擬應變片技術可以很方便地獲得熱點位置的應力譜，并使用Shot-N曲線進行

焊縫的疲勞壽命分析，在保證分析結果精確度的同時，極大地提高了計算效率。綜上所述，將有限元分析軟件與熱點應力相結合，可以很方便地進行各種焊縫疲勞壽命的分析。

［1］徐榮彬.海上風電場風機基礎結構形式探討［J］.建材技術與應用，2011（7）：7-9.

［2］武奇，邱惠清，王偉生.基于結構應力的焊接接頭疲勞分析［J］.焊接學報，2009，30（3）：101-105.

［3］解放.典型構件疲勞性能S-N曲線的獲取及應用［J］.機械設計，2015，32（4）：71-73.

［4］譚剛，祁德慶.海上風機基礎結構的疲勞及其可靠性研究現狀［J］.結構工程師，2012，28（5）：170-176.

［5］DNV-RP-C203：2006 Fatigue design ofoffshore steel structure［S］.

［6］ DNV-OS-J101：2011 Design Of Offshore Wind Turbine Structures［S］.

［7］Maddox S J.Developments in Fatigue Design Codes and Fitness-for-service Assessment Methods［C］.In ternational Conference on Performance of Dynamically Loaded Welded Structures，NewYork，1997.

［8］田艷.基于時間序列分析的塔機結構健康診斷研究［D］.濟南：山東建筑大學，2014.

［9］曹廣啟，毛淳誠.基于五樁導管架基礎的海上風機支撐結構自振特性分析［J］.上海電氣技術，2016，9（1）：59-62.

［10］姜建華，趙洪倫.修正的Goodanan線圖試驗研究［J］.上海鐵道大學學報，2000，21（12）：8-12.

5-pile jacket is one of the basic foundation forms of offshore wind turbines，that is welded mainly by steel structured pieces.As the fatigue strength of the weld seam is lower than the parent metal endurance failure usually occurs at the location of the weld seam.With virtual strain gauge of software NCODE and in accordance with the requirements of DNV（Det Norske Veritas）fatigue design specifications，the stress spectrum at the weld toe of hotspot seamcould be obtained by interpolating the hotspot stress of the selected weld zone，and then，perform weld fatigue life analysis.The method above is one of the most effective methods to study weld fatigue life of complicated joints.

五樁導管架；NCODE軟件；虛擬應變片；熱點應力；疲勞壽命；分析

5-Pile Jacket；Software NCODE；VirtualStrain Gauge；Hotspot Dtress；Fatigue Life；Analyses

TH123；TK83

A

1672-0555（2016）02-051-08

2016年1月

曹廣啟（1984—），男，本科，工程師，主要從事風力發電機組塔筒的研究工作