導(dǎo)管架非節(jié)點(diǎn)有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法

包清華，馮 珩

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

導(dǎo)管架非節(jié)點(diǎn)有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法

包清華，馮 珩

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028）

文章以一座已投入使用的導(dǎo)管架平臺(tái)裙樁套筒的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了復(fù)雜非管節(jié)點(diǎn)裙裝套筒結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化疲勞分析方法：首先采用SACS程序?qū)?dǎo)管架平臺(tái)在波浪荷載作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，選取簡(jiǎn)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(yīng)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(duì)應(yīng)力分析輸出結(jié)果進(jìn)行后處理得到疲勞分析結(jié)果。這種簡(jiǎn)化疲勞分析方法及其分析結(jié)果得到了挪威船級(jí)社 （DNV）的認(rèn)可，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)非管節(jié)點(diǎn)，特別是對(duì)適度水深和深水導(dǎo)管架的裙樁套筒的疲勞設(shè)計(jì)具有參考意義。

海上導(dǎo)管架；裙樁套筒；有限元；疲勞評(píng)估

0 引言

海上導(dǎo)管架在大量波浪荷載往復(fù)作用下，即使所產(chǎn)生的名義應(yīng)力較小，也會(huì)引起疲勞損傷。對(duì)于導(dǎo)管架典型節(jié)點(diǎn)，如T、Y、K、TK，雙面T和X型等節(jié)點(diǎn)，相關(guān)規(guī)范給出了用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算公式，應(yīng)用海洋工程結(jié)構(gòu)專業(yè)分析軟件如SACS對(duì)這些典型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而可以通過軟件計(jì)算出典型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，進(jìn)而可以直接采用SACS等海洋工程結(jié)構(gòu)專業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行疲勞評(píng)估。因此可以看出，對(duì)于典型管節(jié)點(diǎn)疲勞特性的評(píng)估，通常采用軟件直接進(jìn)行計(jì)算分析；而對(duì)于復(fù)雜非管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算，這些應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式不再適用，SACS軟件也無法對(duì)其進(jìn)行直接的疲勞特性評(píng)估。鑒于此，本文對(duì)簡(jiǎn)化疲勞有限元計(jì)算方法進(jìn)行了探討，介紹了一種用于海上導(dǎo)管架平臺(tái)復(fù)雜非管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在波浪荷載作用下的有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法。并以一座已投入使用的導(dǎo)管架平臺(tái)裙樁套筒的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了有限元簡(jiǎn)化疲勞分析的方法和過程。這種有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法及其分析結(jié)果得到了挪威船級(jí)社 （DNV）的認(rèn)可，對(duì)海上導(dǎo)管架平臺(tái)非管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 分析方法

有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法包括如下分析過程：首先，根據(jù)導(dǎo)管架設(shè)計(jì)圖建立如圖1所示的導(dǎo)管架SACS整體分析模型，并對(duì)其進(jìn)行整體分析，從而得到用于簡(jiǎn)化疲勞分析的危險(xiǎn)工況和位移邊界條件；然后采用ALGOR有限元分析軟件建立導(dǎo)管架最復(fù)雜部分裙樁套筒的有限元分析模型，如圖2所示，并對(duì)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(jìn)行有限元分析；最后根據(jù)DNV疲勞規(guī)范進(jìn)行導(dǎo)管架裙樁套筒的疲勞特性評(píng)估。

1.1 模型模擬

導(dǎo)管架裙樁套筒作為導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起著將導(dǎo)管架及上部組塊荷載傳遞到樁上的作用，模型包括撐桿、導(dǎo)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(jié)點(diǎn)殼單元對(duì)撐桿、導(dǎo)管架腿、YOKE板、剪切板進(jìn)行了模擬。管節(jié)點(diǎn)處有限元網(wǎng)格的尺寸接近于桿件的厚度，并且經(jīng)過多次網(wǎng)格劃分，直到每次網(wǎng)格劃分后的計(jì)算分析結(jié)果只有略微變化為止。

裙樁套筒的灌漿連接部分采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行模擬，樁和套筒采用4節(jié)點(diǎn)殼單元進(jìn)行模擬，灌漿部分的實(shí)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(shí)體單元與樁套筒殼單元的有限元網(wǎng)格連接節(jié)點(diǎn)將會(huì)有一致的位移邊界條件；導(dǎo)管架撐桿、導(dǎo)管架腿、樁的端部中心點(diǎn)被模擬成一個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)，端部荷載及位移邊界條件被施加在這個(gè)點(diǎn)上。

1.2 材料屬性

裙樁套筒各個(gè)構(gòu)件組成部分及灌漿連接部分分別為高強(qiáng)度鋼材和高標(biāo)號(hào)水泥灌漿，其材料屬性如表1所示。

表1材料屬性

2 疲勞強(qiáng)度分析

2.1 加載

導(dǎo)管架裙樁套筒整體分析模型如圖3所示。采用SACS軟件對(duì)整體分析模型進(jìn)行多個(gè)方向的波浪荷載分析，莫里森方程被用來計(jì)算由波浪產(chǎn)生的拖曳力和慣性力。根據(jù)整體分析結(jié)果選出波浪條件下的危險(xiǎn)疲勞工況組，如表2所示，這個(gè)疲勞工況組將用來計(jì)算裙樁套筒節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力幅。疲勞工況組是根據(jù)API規(guī)范進(jìn)行選擇的，為具有一百年重現(xiàn)期的波浪荷載工況，其產(chǎn)生最大/最小基底剪力的相位與產(chǎn)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(jìn)行疲勞分析[1]。

表2 疲勞工況

從SACS整體分析結(jié)果輸出的導(dǎo)管架上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的線位移和轉(zhuǎn)角位移分別如表3和表4所示。表中的節(jié)點(diǎn)編號(hào)所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)線位移和轉(zhuǎn)角位移均作為邊界條件施加到模型相應(yīng)節(jié)點(diǎn)端部。

表3 從SACS分析輸出的工況MAX下的節(jié)點(diǎn)線位移和轉(zhuǎn)角位移

表4 從SACS分析輸出的工況MIN下的節(jié)點(diǎn)線位移和轉(zhuǎn)角位移

2.2 疲勞評(píng)估

根據(jù)DNV規(guī)范，上述有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法被用來進(jìn)行疲勞特性評(píng)估。基于疲勞試驗(yàn)的S-N曲線長(zhǎng)期應(yīng)力幅的分布是用來進(jìn)行疲勞分析的一個(gè)基本要求，作為一種替代，威布爾分布被用來表示應(yīng)力幅的長(zhǎng)期分布，采用威布爾應(yīng)力分布和S-N雙曲線，疲勞損傷表達(dá)式如下所示[1]：

當(dāng)管節(jié)點(diǎn)板材的厚度大于規(guī)范規(guī)定的參考厚度時(shí)，允許應(yīng)力幅值可以按下式進(jìn)行計(jì)算得到[2]。

式中 σ0,t——最大允許應(yīng)力幅值；

σ0,tref——根據(jù)S-N曲線得到的許用應(yīng)力；

tref——參考厚度；

t——厚度；

k——厚度指數(shù)。

節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)壽命為二倍25年的服役壽命再加上2年的運(yùn)輸疲勞特性[1]，為52年的設(shè)計(jì)疲勞特性；平均波周期為9.312 s。根據(jù)η=1.0，不同節(jié)點(diǎn)類型的允許應(yīng)力幅如表5所示。

表5 允許應(yīng)力幅

2.3 應(yīng)力幅計(jì)算

與單元局部坐標(biāo)系相應(yīng)的每個(gè)工況的六個(gè)應(yīng)力分量可以用來計(jì)算單元的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，并根據(jù)如下公式可計(jì)算出單元的主應(yīng)力，從而得到節(jié)點(diǎn)處單元的最大應(yīng)力幅[3]。

式中 Δσx——工況MAX和MIN下x方向的應(yīng)力差值；

σxx1，σxb1——工況MAX下x方向的應(yīng)力，彎曲應(yīng)力；

σxx2，σxb2——工況MIN下x方向的應(yīng)力，彎曲應(yīng)力；

Δσy——工況MAX和MIN下y方向的應(yīng)力差值；

σyy1，σyb1——工況MAX下y方向的應(yīng)力，彎曲應(yīng)力；

σyy2，σyb2——工況MIN下y方向的應(yīng)力，彎曲應(yīng)力；

σ——主應(yīng)力；

Δτxy——工況MAX和MIN下的剪應(yīng)力差值；

τxy1， τxyb1——工況MAX下的剪應(yīng)力，彎曲剪應(yīng)力；

τxy2， τxyb2——工況MIN下的剪應(yīng)力，彎曲剪應(yīng)力。

2.4 疲勞分析結(jié)果

根據(jù)2.3節(jié)所述，可以計(jì)算出導(dǎo)管架裙樁套筒在疲勞工況組條件下節(jié)點(diǎn)處的最大應(yīng)力幅，如表6所示。

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

表6 裙樁套筒各構(gòu)件的最大應(yīng)力幅

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的有限元簡(jiǎn)化疲勞分析方法可以用來評(píng)估導(dǎo)管架復(fù)雜結(jié)構(gòu)非管節(jié)點(diǎn)的疲勞特性，其分析方法及分析結(jié)果得到DNV船級(jí)社的認(rèn)同。這種方法可以用作其他海上導(dǎo)管架非管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)（尤其對(duì)適度水深和深水導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的重要組成部分裙樁套筒的疲勞設(shè)計(jì)）提供了一種參考。

[1]DNV RP-C203，F(xiàn)atigue 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(xué)［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(yè)于天津大學(xué)，現(xiàn)從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究工作。

2011-08-10