基于ANSYS分析軟件的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估研究

馮加果，劉小燕，王世圣，謝文會(huì)

(1中海油研究總院，北京 100028；2 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

基于ANSYS分析軟件的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估研究

馮加果1，劉小燕2，王世圣1，謝文會(huì)1

(1中海油研究總院，北京 100028；2 北京高泰深海技術(shù)有限公司，北京 100011)

疲勞損傷失效是海洋結(jié)構(gòu)面臨的重要問(wèn)題，而對(duì)于裙樁套筒這樣的局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，疲勞壽命評(píng)估更為關(guān)鍵。應(yīng)用ANSYS軟件建立了一套海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程，通過(guò)熱點(diǎn)應(yīng)力外推法，采用疲勞的簡(jiǎn)化分析方法計(jì)算疲勞壽命，并運(yùn)用該方法驗(yàn)證了某平臺(tái)裙樁套筒滿足疲勞要求。該方法利用了局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的ANSYS應(yīng)力分析結(jié)果，得到的應(yīng)力幅值更加合理、便利，同時(shí)將熱點(diǎn)應(yīng)力外推法融入到疲勞簡(jiǎn)化分析方法中，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，可為今后海洋平臺(tái)其他典型局部構(gòu)造的疲勞壽命評(píng)估提供指導(dǎo)。

海洋平臺(tái)；ANSYS；局部構(gòu)造；裙樁套筒；疲勞壽命；熱點(diǎn)

0 引 言

處于海洋環(huán)境中的平臺(tái)，長(zhǎng)期受到隨機(jī)風(fēng)、波、流以及工作載荷的作用，特別是波浪載荷是一種變化的載荷，在交變載荷作用下，結(jié)構(gòu)材料內(nèi)將產(chǎn)生隨時(shí)間變化的應(yīng)力，材料抵抗這種交變應(yīng)力的能力將隨著應(yīng)變波動(dòng)次數(shù)的累加而降低，就會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷。而對(duì)于海洋平臺(tái)局部構(gòu)造，大部分都是焊接結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)形式和焊接的影響，在這些局部結(jié)構(gòu)的相貫線附近，很容易產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中，這些局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，使得其疲勞損傷積累過(guò)程被加速而成為整體結(jié)構(gòu)中抵抗疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)。此外，焊接殘余應(yīng)力又會(huì)造成金屬的局部塑性變形，這些都將導(dǎo)致局部構(gòu)造在海洋環(huán)境交變載荷、低溫及海水腐蝕等作用下首先發(fā)生疲勞損傷[1]。因此，必須對(duì)這些海洋平臺(tái)局部構(gòu)造進(jìn)行疲勞評(píng)估。但如何才能準(zhǔn)確得到這些局部構(gòu)造的應(yīng)力幅值一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)心的問(wèn)題，而應(yīng)用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是目前最常用最有效的方法，所以開(kāi)展基于ANSYS有限元分析方法的局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估研究，是非常有價(jià)值的。

在海洋工程結(jié)構(gòu)的疲勞評(píng)估中，比較常用的是基于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，當(dāng)前各國(guó)船級(jí)社采用的疲勞評(píng)估方法，大都以此方法為基礎(chǔ)[2]。對(duì)于海洋平臺(tái)，在使用S-N曲線時(shí)，傳統(tǒng)上一般采用名義應(yīng)力來(lái)進(jìn)行疲勞校核，但該方法依賴于節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，需根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)，采用不同的S-N曲線。而采用熱點(diǎn)應(yīng)力來(lái)校核疲勞壽命，只和熱點(diǎn)處的應(yīng)力值有關(guān)，而和具體的結(jié)構(gòu)形式無(wú)關(guān)，因此具有廣泛的適用性[3]。本文建立了基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程，以Miner線性累積損傷理論和S-N曲線為基礎(chǔ)，融入ANSYS有限元分析和熱點(diǎn)應(yīng)力法來(lái)計(jì)算疲勞壽命。

1 建立基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程

海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估首先需要確定關(guān)注位置的應(yīng)力值，先通過(guò)ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力，再采用熱點(diǎn)應(yīng)力法作相應(yīng)處理得到用于疲勞分析的應(yīng)力幅值，最后計(jì)算疲勞壽命。建立的基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程[4]如圖1所示。

1.1 基于ANSYS的熱點(diǎn)應(yīng)力法

熱點(diǎn)應(yīng)力法是熱點(diǎn)應(yīng)力外推法的簡(jiǎn)稱，是指通過(guò)離焊趾一定距離的點(diǎn)的應(yīng)力線性外推得到焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力的方法[5]。該方法的基本原理是：避開(kāi)非線性應(yīng)力峰值的區(qū)域，通過(guò)距焊趾足夠距離處的點(diǎn)的應(yīng)力，采用線性疊加方法，得到熱點(diǎn)處的應(yīng)力值。離焊趾一定距離的點(diǎn)的應(yīng)力一般通過(guò)應(yīng)力測(cè)試或有限元分析得到。本文通過(guò)有限元分析得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力，然后再在此基礎(chǔ)上應(yīng)用熱點(diǎn)應(yīng)力法，得到熱點(diǎn)應(yīng)力。

1.1.1 基本概念

熱點(diǎn)系指可能產(chǎn)生疲勞裂紋的部位[6]。海洋平臺(tái)局部構(gòu)造的熱點(diǎn)一般在焊趾處，是疲勞裂紋的起源部位。熱點(diǎn)應(yīng)力指最大主應(yīng)力或“結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力”[5]，規(guī)范將熱點(diǎn)表面的結(jié)構(gòu)幾何應(yīng)力稱為熱點(diǎn)應(yīng)力。熱點(diǎn)應(yīng)力由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力兩部分組成，是構(gòu)件表面熱點(diǎn)處膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和的最大值，考察由焊接件接頭幾何形狀和尺寸大小在焊趾處所引起的應(yīng)力集中效應(yīng)，但不包括焊趾處局部焊縫引起的非線性應(yīng)力峰值[5,7]。

1.1.2 通過(guò)ANSYS有限元分析確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力

ANSYS有限元分析的主要步驟有建立海洋平臺(tái)局部構(gòu)造的ANSYS模型、選擇單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格、施加邊界條件和載荷、處理計(jì)算結(jié)果。

在建立海洋平臺(tái)局部構(gòu)造的ANSYS模型時(shí)，為了節(jié)省時(shí)間和資源，簡(jiǎn)化處理焊縫和倒角。對(duì)于海洋平臺(tái)局部構(gòu)造，大多可以采用板單元來(lái)模擬，考慮到膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力對(duì)疲勞貢獻(xiàn)最大，不考慮板的橫向剪切效應(yīng)，選擇shell63單元。局部構(gòu)造的邊界條件和載荷從海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)疲勞分析(比如SACS整體疲勞分析)中提取，對(duì)于圓筒構(gòu)件的邊界條件和載荷，在截面形心處建一節(jié)點(diǎn)，利用ANSYS軟件中的link2、beam4等單元將該節(jié)點(diǎn)與周?chē)?jié)點(diǎn)一一連接起來(lái)，再將載荷和約束施加到該形心節(jié)點(diǎn)上。然后進(jìn)行ANSYS計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

1.1.3 熱點(diǎn)應(yīng)力外推法

最常用的熱點(diǎn)外推法是挪威船級(jí)社(DNV)推薦的外推方法：采用距焊趾0.5t和1.5t處的應(yīng)力值外推得到焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力。計(jì)算公式如下[8]：

σhot=1.5σ(0.5t)-0.5σ(1.5t),

(1)

式中：σhot為熱點(diǎn)應(yīng)力；σ(0.5 t)為距離熱點(diǎn)0.5t處的應(yīng)力值；σ(1.5 t)為距離熱點(diǎn)1.5t處的應(yīng)力值；t為考慮疲勞破壞處的厚度。

1.2 確定應(yīng)力幅值

根據(jù)材料力學(xué)理論，循環(huán)交變應(yīng)力的應(yīng)力范圍是最大與最小應(yīng)力之差，應(yīng)力幅值是最大與最小應(yīng)力之差的一半[9]。對(duì)于海洋平臺(tái)而言，引起局部構(gòu)造產(chǎn)生交變應(yīng)力的主要是波浪載荷，由于波浪的不確定性，很難得到在隨機(jī)波浪作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)，也就很難得到隨機(jī)波浪作用下的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試算選取較危險(xiǎn)的引起交變載荷的工況(盡量將產(chǎn)生最大應(yīng)力的工況包含在內(nèi))，將該工況下垂直于焊縫的最大主應(yīng)力作為應(yīng)力幅值[5]。本文將利用外推法得到在波浪作用下的熱點(diǎn)應(yīng)力作為計(jì)算疲勞的應(yīng)力幅值。

1.3 確定合適的S-N曲線

疲勞設(shè)計(jì)利用通過(guò)疲勞試驗(yàn)得出的S-N曲線來(lái)進(jìn)行。本文采用DNV-RP-C203中S-N曲線來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，對(duì)應(yīng)的S-N曲線表達(dá)式為[8]

圖1 基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程圖Fig.1 Flow chart of local structural fatigue life assessment of offshore platform based on the hot spot stress method

(2)

1.4 疲勞累積損傷計(jì)算

假定海洋平臺(tái)局部構(gòu)造在海洋環(huán)境載荷作用下的長(zhǎng)期應(yīng)力幅滿足Weibull分布，使用單斜率的S-N曲線，采用如下公式計(jì)算疲勞累積損傷[8，10]：

(3)

(4)

1.5 疲勞壽命計(jì)算

計(jì)算疲勞壽命的公式為

L=LDesign/D，

(5)

式中：L為待評(píng)估處的疲勞評(píng)估壽命；LDesign為設(shè)計(jì)疲勞壽命，即預(yù)期的使用壽命。

1.6 疲勞校核推薦準(zhǔn)則

根據(jù)API RP 2A WSD—2000 21st的規(guī)定，疲勞強(qiáng)度校核準(zhǔn)則如下[11]：

L≥Fs·LDesign,

(5)

或者

Fs·D<1.0,

(6)

式中：Fs為相應(yīng)的安全系數(shù)。

2 算例：某平臺(tái)裙樁套筒結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估

以某平臺(tái)的裙樁套筒為例。該平臺(tái)是一座8腿12裙樁的鉆采綜合平臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命20年，四個(gè)角上的樁腿都采用三個(gè)套筒結(jié)構(gòu)與主樁腿連接的裙樁套筒結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)所處水深為132 m。參考初步設(shè)計(jì)的裙樁套筒結(jié)構(gòu)圖紙，建立ANSYS模型，如圖2所示。其中采用shell63模擬連接套筒和樁腿的YOKE板以及樁腿，采用SOLID45來(lái)模擬套筒，完成ANSYS模型的建立。劃分網(wǎng)格時(shí)SOLID45單元用VSWEEP命令掃略劃分網(wǎng)格，對(duì)于比較關(guān)注的YOKE板和樁腿的連接部位周?chē)?，采?.5t×0.5t網(wǎng)格劃分，其他部分采用粗略網(wǎng)格，劃分的網(wǎng)格如圖3所示。引起裙樁套筒疲勞的主要載荷是波浪，在平臺(tái)360°范圍內(nèi)每隔45°選取一個(gè)浪向共8個(gè)浪向作為評(píng)估疲勞壽命的工況，從SACS整體模型計(jì)算中提取這8個(gè)浪向作用下裙樁套筒的邊界條件和所受載荷，計(jì)算這8個(gè)浪向下裙樁套筒的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。各浪向下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試算結(jié)果，應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在YOKE板、剪力板、腿三者連接的部位，這些部位也是最容易發(fā)生疲勞破壞的位置，因此著重評(píng)估這些熱點(diǎn)的疲勞壽命，如圖5所示。

圖2 裙樁套筒ANSYS模型Fig.2 Skirt pile sleeve ANSYS model

圖3 裙樁套筒網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Meshing of the skirt pile sleeve

圖4 各浪向下裙樁套筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.4 Stress plots of the skirt pile sleeve for different wave directions

從表中結(jié)果看，在波浪作用下，該結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力幅值為147.74 MPa，出現(xiàn)在225°浪向的B31位置，但該處疲勞壽命并非最小，是由于該浪向出現(xiàn)的概率并不最高，這也驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是由各浪向產(chǎn)生的應(yīng)力幅值和各浪向出現(xiàn)的概率共同決定的，因此在評(píng)估海洋平臺(tái)局部構(gòu)造的疲勞壽命時(shí)不僅要關(guān)注產(chǎn)生應(yīng)力幅值較大的浪向(比如強(qiáng)度分析中的危險(xiǎn)浪向)，也需要關(guān)注出現(xiàn)概率高的浪向，在條件允許的情況下，建議多取一些浪向進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，這樣評(píng)估結(jié)果更接近實(shí)際。另外，結(jié)果表明，該裙樁套筒結(jié)構(gòu)的最小疲勞壽命位于YOKE板、剪力板、腿三者連接的部位(熱點(diǎn)A11)，最小疲勞壽命為127.129 5年，大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命(20年)，滿足疲勞要求。

圖5 疲勞壽命評(píng)估點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of fatigue life assessment points

表1 各浪向下熱點(diǎn)B31的疲勞壽命計(jì)算Table 1 Fatigue life of the hot spot B31 in different wave directions

表2 各浪向下熱點(diǎn)的疲勞壽命計(jì)算Table 2 Fatigue life calculation of the hot spots in different wave directions

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以ANSYS有限元為工具，將熱點(diǎn)應(yīng)力外推法融入到疲勞簡(jiǎn)化分析方法中，建立了一套基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程，并將該方法應(yīng)用于某平臺(tái)的裙樁套筒結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估，得到以下結(jié)論和建議。

(1) 應(yīng)用本文的方法，計(jì)算得到了某平臺(tái)的裙樁套筒結(jié)構(gòu)最小疲勞壽命為127年，大于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命(20年)，驗(yàn)證了該裙樁套筒的設(shè)計(jì)滿足疲勞要求。

(2) 在評(píng)估海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命過(guò)程中，選取的計(jì)算工況不僅要包括較危險(xiǎn)的工況(即產(chǎn)生應(yīng)力較大的工況)，還必須包括出現(xiàn)概率較大的工況，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充足的情況下，建議盡可能多選取一些工況，這樣評(píng)估結(jié)果更接近實(shí)際。

(3)文中建立的基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的海洋平臺(tái)局部構(gòu)造疲勞壽命評(píng)估流程，可為海洋平臺(tái)其他典型局部構(gòu)造的疲勞壽命評(píng)估提供參考。

[1] 薛鴻祥．新型深海多柱桁架式平臺(tái)及立管結(jié)構(gòu)疲勞性能研究[D]．上海：上海交通大學(xué)，2008．

[2] 羅瑞鋒，唐文勇，宋友良．船體總段對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析評(píng)估[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(6)：27.

[3] 王甲畏，王德禹．船體焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的熱點(diǎn)應(yīng)力研究[J]．船海工程，2004(5)：22.

[4] 劉剛，鄭云龍，趙德有,等．BIGO9000半潛式鉆井平臺(tái)疲勞強(qiáng)度分析[J]．船舶力學(xué)，2002，6(2)：54.

[5] 賈法勇，霍立興，張玉鳳,等．熱點(diǎn)應(yīng)力有限元分析的主要影響因素[J]．焊接學(xué)報(bào)，2003，24(3)：27.

[6] 劉文華，張弛．基于CSR中熱點(diǎn)應(yīng)力的散貨船疲勞強(qiáng)度分析[J]．上海造船，2009(3)：17.

[7] Wolfgang F. Recommended hot spot analysis procedure for structural details of FPSO’s and ships based on round-robin FE analyses [J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2002, 12(1):40.

[8] Det Norske Veritas. DNV-RP-C203. Fatigue strength analysis: offshore steel structures[S]. 2005.

[9] 曾春華，鄒十踐．疲勞分析方法及應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1991．

[10] Det Norske Veritas. DNV/GL-RP-0005-2014. Fatigue design of offshore steel structures[S]. 2014.

[11] American Petroleum Institute. API RP 2A WSD—2000. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore platforms: working stress design [S]. 2000.

[12] 中國(guó)船級(jí)社．船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南[S]．2007．

ResearchonFatigueLifeAssessmentofLocalConstructionsofOffshorePlatformsBasedonANSYSSoftware

FENG Jia-guo1, LIU Xiao-yan2, WANG Shi-sheng1, XIE Wen-hui1

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.COTEC,Beijing100011,China)

Fatigue damage is an important problem to offshore structure, and it is more critical for the fatigue life assessment of the skirt pile sleeve due to the complexity of its local structure. A finite element analysis procedure is established to assess the fatigue life of the local constructions of the offshore platforms by applying the ANSYS program. The fatigue life is calculated with the simplified fatigue analysis method and the hot spot stress extrapolation, and the skirt pile sleeve of a platform is proved to meet the fatigue requirement by the research. It is more reasonable and convenient to get the stress amplitude based on the ANSYS stress analysis results from the local structure strength analysis, and there is a higher application value in engineering that the hot spot stress extrapolation and the simplified fatigue analysis method are combined together. The method could provide guidance on the fatigue life assessment of the other typical local constructions of offshore platforms in the future.

offshore platform; ANSYS; local construction; skirt pile sleeve; fatigue life; hot spot

2015-09-22

馮加果(1985—)，男，工程師，主要從事海洋工程平臺(tái)方面的研究。

P742

A

2095-7297(2015)05-0325-07