復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下樁腿節(jié)點(diǎn)多軸疲勞壽命評(píng)估

劉英芳，劉洪峰，姜福洪，傘立忠，王延鳳，徐萬(wàn)雄

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下樁腿節(jié)點(diǎn)多軸疲勞壽命評(píng)估

劉英芳，劉洪峰，姜福洪，傘立忠，王延鳳，徐萬(wàn)雄

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所有限公司，遼寧 大連 116005)

引入了一種多軸疲勞壽命評(píng)估方法，并對(duì)該方法的疲勞評(píng)估流程進(jìn)行研究。使用該方法聯(lián)合熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)國(guó)際公開(kāi)發(fā)表的250多個(gè)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了該方法多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)的精確度。最后使用該方法成功對(duì)自升式平臺(tái)K型樁腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了多軸疲勞壽命評(píng)估，可為提高樁腿節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性提供有益參考。

自升式平臺(tái)；管節(jié)點(diǎn)；應(yīng)力集中；多軸疲勞

0 引 言

自升式平臺(tái)在復(fù)雜海況環(huán)境下作業(yè)，受到風(fēng)、浪、流的交互作用，導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生疲勞破壞。樁腿節(jié)點(diǎn)作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，其應(yīng)力狀態(tài)一般是多軸交變的。目前海洋工程業(yè)內(nèi)普遍使用單軸疲勞理論對(duì)樁腿節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)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(jié)點(diǎn)的受力簡(jiǎn)單分為軸向載荷、面內(nèi)彎曲載荷和面外彎曲載荷，分別計(jì)算在各單軸載荷作用下的樁腿節(jié)點(diǎn)疲勞壽命，然后將這三種基本載荷進(jìn)行簡(jiǎn)單組合[5-8]，但仍然按照單軸疲勞理論進(jìn)行分析。然而，傳統(tǒng)單軸疲勞理論僅能將非比例載荷當(dāng)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(wèn)題。上述做法不僅與樁腿的真實(shí)受力情況不符，而且由于多軸疲勞與單軸疲勞在損傷機(jī)理上本就存在不同，因此使用單軸疲勞理論對(duì)樁腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行壽命評(píng)估易產(chǎn)生較大誤差。

為解決上述問(wèn)題以提高樁腿節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，本文引入一種國(guó)際上成熟的多軸疲勞壽命評(píng)估準(zhǔn)則[9-10]，使用熱點(diǎn)應(yīng)力法(HSS)，建立了一種能夠用于樁腿節(jié)點(diǎn)的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。該方法以多軸疲勞理論為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)作用下樁腿結(jié)構(gòu)疲勞壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

1 多軸疲勞壽命評(píng)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(yù)測(cè)方法，在多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方面具有較高精度。MWCM認(rèn)為裂紋在材料的最大剪應(yīng)力面萌生，垂直于最大剪應(yīng)力面的法向正應(yīng)力有助于裂紋的擴(kuò)展。定義最大剪應(yīng)力幅面為疲勞臨界損傷面，以臨界面上最大剪應(yīng)力范圍Δτ和最大正應(yīng)力范圍Δσn作為多軸疲勞損傷計(jì)算參量，得到具體控制方程及多軸疲勞壽命計(jì)算公式[9-10]。

MWCM通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)力-壽命(S-N)曲線修正得到剪切應(yīng)力形式表示的Δτ-N雙對(duì)數(shù)曲線，如圖1所示。圖中kτ(ρw)為曲線斜率負(fù)倒數(shù)，定義為反向斜率；ΔτA,Ref(ρw)為參考剪應(yīng)力范圍，即Δτ-N曲線的拐點(diǎn)；ρw=Δσn/Δτ。分析純拉伸和純扭轉(zhuǎn)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(huán)載荷作用下，ρw、kτ(ρw)和ΔτA,Ref(ρw)取值為

在純扭轉(zhuǎn)循環(huán)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(shí)拉伸S-N曲線和扭轉(zhuǎn)S-N曲線對(duì)應(yīng)的正應(yīng)力范圍和剪切應(yīng)力范圍。

kτ(ρw)、ΔτA,Ref(ρw)分別與ρw存在簡(jiǎn)單線性關(guān)系：

式中：ρw,lim為應(yīng)力極限值，在本文中取1.4；C為常數(shù)。

式(1)～(4)即為MWCM的具體控制方程和多軸疲勞壽命計(jì)算公式。

根據(jù)式(3)、式(4)以及圖1所示的Δτ-N曲線，可進(jìn)一步計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)的多軸疲勞循環(huán)次數(shù)Nf：

由式(5)可知，在復(fù)雜載荷作用下，當(dāng)疲勞評(píng)估點(diǎn)的多軸疲勞損傷參量ρw和Δτ確定時(shí)，疲勞壽命即可確定，而與載荷的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)。

MWCM使用熱點(diǎn)應(yīng)力法的評(píng)估流程如圖2所示。首先提取結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力張量，處理計(jì)算得到最大剪切應(yīng)力面上的疲勞損傷計(jì)算參量，然后根據(jù)MWCM的具體控制方程及疲勞壽命計(jì)算公式進(jìn)行壽命評(píng)估。

圖2 MWCM評(píng)估流程Fig.2 Assessment diagram of MWCM

2 多軸疲勞壽命評(píng)估方法精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證MWCM的準(zhǔn)確性，本文選用多篇國(guó)際公開(kāi)發(fā)表的焊接結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)文獻(xiàn)共250多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。試件信息與模型圖如表1和圖3所示。MWCM使用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)，多軸疲勞載荷分為比例載荷和非比例載荷疲勞數(shù)據(jù)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果匯總表示在圖4所示的雙對(duì)數(shù)精度驗(yàn)證圖中。在圖4中，橫軸為預(yù)測(cè)壽命Nf,est，縱軸為實(shí)驗(yàn)壽命Nf,exp，并畫(huà)出1倍誤差帶和3倍誤差帶。由圖4預(yù)測(cè)結(jié)果看出，MWCM 80%以上的預(yù)測(cè)結(jié)果均落于3倍誤差帶范圍內(nèi)，非比例載荷的預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全。而傳統(tǒng)單軸疲勞方法由于不考慮非比例載荷的相位角對(duì)疲勞壽命的不利影響，其預(yù)測(cè)結(jié)果往往偏于危險(xiǎn)。由此可知無(wú)論是從預(yù)測(cè)精度還是從工程應(yīng)用的安全性考慮，MWCM的預(yù)測(cè)結(jié)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(zhuǎn)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(diǎn)應(yīng)力法的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)精度Fig.4 Accuracy of the MWCM applied in terms of HSS

3 樁腿節(jié)點(diǎn)的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)

本節(jié)應(yīng)用MWCM聯(lián)合熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)某自升式平臺(tái)K型樁腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)，幾何模型示意圖及幾何參數(shù)見(jiàn)圖5和表2。

樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)，以塊體單元模擬齒條板。弦管與齒條之間的焊接連接通過(guò)將殼單元與體單元相接部位的重合節(jié)點(diǎn)自由度耦合來(lái)模擬。焊縫區(qū)域網(wǎng)格尺寸t×t，對(duì)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(nèi)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(jié)點(diǎn)有限元模型圖及約束載荷圖。

圖5 K型管節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)示意圖Fig.5 Geometries of K joint

表2 K型管節(jié)點(diǎn)幾何尺寸Table 2 Geometric dimensions of K joint

主管直徑D/mm主管長(zhǎng)度L/mm主管壁厚T/mm支管直徑d/mm支管長(zhǎng)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(jié)點(diǎn)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(jiǎn)單選取支管冠點(diǎn)作為疲勞評(píng)估點(diǎn)，具體載荷信息和多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)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(yīng)力影響。由表3可知工況5～8包含平均應(yīng)力影響，其預(yù)測(cè)壽命低于工況1～4，表明平均應(yīng)力對(duì)樁腿焊接管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命是不利的。

表3 載荷信息及疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Table 3 Loading cases and estimated results of fatigue life

4 結(jié) 語(yǔ)

MWCM使用熱點(diǎn)應(yīng)力法的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)具有較高精度，并且其預(yù)測(cè)結(jié)果偏于安全，適于工程應(yīng)用。本文應(yīng)用MWCM成功對(duì)樁腿節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了該方法應(yīng)用于樁腿節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的可行性，可為提高樁腿節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)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(guó)家發(fā)改委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)(自升式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油平臺(tái)研發(fā)設(shè)計(jì)；自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)系列化自升式鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)建造技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化)

劉英芳(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞計(jì)算研究。