一種新的海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力評(píng)估方法

粟 京，趙曉玲，劉 剛

（1.中國(guó)海洋石油總公司，北京 100028；2.大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 大連 116005；3.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

一種新的海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力評(píng)估方法

粟 京1，趙曉玲2，劉 剛3

（1.中國(guó)海洋石油總公司，北京 100028；2.大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 大連 116005；3.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

海洋工程焊接管節(jié)點(diǎn)受應(yīng)力集中及復(fù)雜隨機(jī)載荷的聯(lián)合作用，容易發(fā)生疲勞破壞。為了提高焊接管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，文章以管壁厚方向上的一點(diǎn)作為疲勞評(píng)估點(diǎn)，提出了一種新的管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法。通過(guò)與國(guó)際上公開(kāi)發(fā)表的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，證明了文中方法應(yīng)用于管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的可行性及考慮壁厚方向應(yīng)力梯度的有效性?；跀?shù)值計(jì)算，文中還提出了可用于T型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算的參數(shù)公式，并對(duì)參數(shù)公式的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

焊接管節(jié)點(diǎn)；應(yīng)力集中系數(shù)；結(jié)構(gòu)應(yīng)力；應(yīng)力梯度；疲勞壽命

0 引 言

焊接管節(jié)點(diǎn)在海洋工程領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。由于焊縫交線(xiàn)處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，加之焊接缺陷的影響，使得焊接管節(jié)點(diǎn)在各種隨機(jī)環(huán)境載荷聯(lián)合作用下焊縫位置應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，疲勞破壞成為其主要的破壞形式之一[1]。在設(shè)計(jì)階段，基于熱點(diǎn)應(yīng)力（Hot Spot Stress-HSS）的S-N曲線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于海洋工程焊接管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命評(píng)估[2-3]。然而，對(duì)于受到多軸疲勞載荷作用的復(fù)雜焊接管節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的疲勞評(píng)估應(yīng)力計(jì)算方法仍存在一些問(wèn)題。首先，目前的絕大部分工作均集中于特殊點(diǎn)處熱點(diǎn)應(yīng)力峰值的計(jì)算[4-7]而忽略了其沿管壁厚度方向及焊縫交線(xiàn)的分布規(guī)律；其次，研究中多采用殼單元對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬[8-11]，無(wú)法充分考慮焊趾尺寸對(duì)焊縫位置應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響。針對(duì)平板焊接結(jié)構(gòu)的多軸疲勞壽命評(píng)估，劉剛等[12-13]提出了一種新的零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力（Zero Point Structural Stress-ZPSS）法，并驗(yàn)證了其在平板焊接結(jié)構(gòu)單軸及多軸疲勞強(qiáng)度評(píng)估中的優(yōu)勢(shì)。

基于上述討論，為提高焊接管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，本文充分考慮裂紋擴(kuò)展方向，以管壁厚度方向上非線(xiàn)性峰值應(yīng)力為零的一點(diǎn)作為疲勞評(píng)估點(diǎn)，以該點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為疲勞評(píng)估應(yīng)力，將零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法進(jìn)一步用于管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命評(píng)估。由于新方法疲勞評(píng)估點(diǎn)取為管壁外表面下方一點(diǎn)，可在一定程度上考慮應(yīng)力梯度對(duì)疲勞壽命的影響；另外，該結(jié)構(gòu)應(yīng)力可直接通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果后處理得到，方便用于管節(jié)點(diǎn)的多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)。

本文首先明確了管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義，并給出了詳細(xì)的零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算流程；通過(guò)與公開(kāi)發(fā)表的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)新方法應(yīng)用于管節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的適用性和正確性進(jìn)行了驗(yàn)證；為便于新方法在工程實(shí)際中的應(yīng)用，本文基于大量的有限元數(shù)值計(jì)算，提出了T型管節(jié)點(diǎn)在各基本載荷作用下的零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)參數(shù)方程，并對(duì)參數(shù)方程的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義

如圖1所示，焊趾位置的局部切口應(yīng)力σln可以分解為結(jié)構(gòu)應(yīng)力σss（包括彎曲應(yīng)力σb和膜應(yīng)力σm）和非線(xiàn)性峰值應(yīng)力σnlp兩部分。其中，σln隨壁厚方向（x方向）的分布可通過(guò)精細(xì)有限元分析得到；σb、σm及σnlp的大小均可根據(jù)在壁厚方向的分布計(jì)算得到，如（1）-（3）式所示[14]。

圖2 零點(diǎn)位置及零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義Fig.2 ZP and ZPSS determination

結(jié)構(gòu)應(yīng)力σss用于平衡外加載荷，滿(mǎn)足平衡方程；非線(xiàn)性峰值應(yīng)力σnlp具有自平衡特性[5]，滿(mǎn)足連續(xù)性方程。由于σnlp的自平衡特性，在壁厚方向上肯定存在一點(diǎn)，該點(diǎn)處σnlp的值為0，即σnlp=0。零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中，將該點(diǎn)定義為“零點(diǎn)位置”（Zero Point-ZP），如圖2所示；在該零點(diǎn)位置ZP，結(jié)構(gòu)的真實(shí)切口應(yīng)力等于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的大小，因而可以認(rèn)為沒(méi)有受到焊趾引起的非線(xiàn)性峰值應(yīng)力σnlp的影響，并將該點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義為“零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力”（Zero Point Structural Stress-ZPSS）。參考熱點(diǎn)應(yīng)力法不考慮σln中σnlp的做法，在新的零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中便可將ZPSS作為管節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度評(píng)估的參考應(yīng)力。得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布曲線(xiàn)和局部切口應(yīng)力分布曲線(xiàn)之后，ZP即可通過(guò)求解兩條曲線(xiàn)的交點(diǎn)而得到。在ZP處，（3）式可以表示為

其中：dZP是ZP到管壁外表面的距離，從而可以得到求解ZP的表達(dá)式

當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力σss中只含有膜應(yīng)力σm成分時(shí)，零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力ZPSS與表面的熱點(diǎn)應(yīng)力值HSS相等；當(dāng)σss中包含有彎曲應(yīng)力σb成分時(shí)，由于σb沿板厚方向的應(yīng)力梯度，ZPSS將略小于表面的HSS。因此，零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法可在一定程度上考慮應(yīng)力梯度對(duì)疲勞壽命的影響。

本文引入美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME[15]中應(yīng)力分類(lèi)線(xiàn)（Stress Classification Line-SCL）的概念，用于零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中管節(jié)點(diǎn)疲勞評(píng)估應(yīng)力的計(jì)算。如圖3（a）所示，SCL定義為焊趾位置垂直于管壁表面沿管壁厚度方向的參考線(xiàn)，垂直于SCL的切口應(yīng)力用于管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力ZPSS的計(jì)算。對(duì)任意極性角φ處，支管/主管上ZPSS最大值所在的平面很難確定，為此，計(jì)算過(guò)程中需遍歷以SCL為軸線(xiàn)的360°所有面，計(jì)算任意平面上的ZPSS，選取最大的ZPSS及其對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)位置ZP和平面Δ作為最終結(jié)果，如圖3（b）所示。當(dāng)平面Δ同時(shí)經(jīng)過(guò)支管的軸線(xiàn)時(shí)，計(jì)算得到的ZPSS僅包含垂直于焊縫的應(yīng)力成分；否則，計(jì)算的ZPSS還會(huì)包含切應(yīng)力成分，在這種情況下，剪切應(yīng)力對(duì)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響也會(huì)同時(shí)考慮在內(nèi)。

圖3 管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算Fig.3 ZPSS calculation of tubular joints

特定極性角處，管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算流程如下：

（1）提取焊趾端面沿管壁厚度方向SCL上所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力張量；

（4）按照（1）～（3）的過(guò)程，計(jì)算以SCL為軸線(xiàn)的所有面上的ZP及ZPSS，比較得到ZPSS的最大值及對(duì)應(yīng)的ZP。

2 管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

以圖4中所示的T型管節(jié)點(diǎn)為例，將零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法用于其疲勞評(píng)估應(yīng)力的計(jì)算。表1給出了管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)。為更加準(zhǔn)確地考慮焊縫尺寸對(duì)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響，采用三維的20節(jié)點(diǎn)塊體單元對(duì)管節(jié)點(diǎn)的支管、主管及焊縫進(jìn)行詳細(xì)建模[16]，如圖5所示；且為驗(yàn)證零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法在管節(jié)點(diǎn)中的適用性和可行性，將軸向載荷（Axial loading-AX）、面內(nèi)彎曲載荷（In-plane bending-IPB）、面外彎曲載荷（Out-of-plane bending-OPB）等三種基本載荷作用下的零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的計(jì)算結(jié)果與常用的熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

表1 管節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters

圖4 T型焊接管節(jié)點(diǎn)的外形尺寸Fig.4 Dimensions of a welded tubular T-joint

圖5 T型焊接管節(jié)點(diǎn)整體有限元模型Fig.5 Full FE model of a welded tubular T-joint

圖6 焊趾附近的網(wǎng)格局部放大圖Fig.6 Close-up view of the mesh around the weld toe

經(jīng)過(guò)收斂性測(cè)試，零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中焊趾附近網(wǎng)格尺寸定義為0.025tb和0.025tc沿焊縫交線(xiàn)共劃分為64個(gè)單元；熱點(diǎn)應(yīng)力法中在焊趾處沿管壁厚度方向劃分為3個(gè)單元，沿焊縫交線(xiàn)劃分為32個(gè)單元，圖6（a）、（b）所示分別為兩種方法對(duì)應(yīng)的焊趾附近局部網(wǎng)格放大圖。

圖7 分別采用HSS和ZPSS法計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)沿焊縫交線(xiàn)的分布Fig.7 SCFs distribution along the intersection calculated by HSS and ZPSS methods

將熱點(diǎn)應(yīng)力HSS法和零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力ZPSS法的應(yīng)力集中系數(shù)分別表示為SCF和SCFZP，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖中可以看出，沿焊縫360°交線(xiàn)ZPSS法計(jì)算得到的SCFZP絕對(duì)值始終比HSS方法計(jì)算得到的SCF要小。這是因?yàn)樵谕饧虞d荷作用下，為保持管節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件在焊縫交線(xiàn)處的連續(xù)性及變形協(xié)調(diào)，管壁在焊趾位置會(huì)產(chǎn)生局部彎曲變形，從而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力分量σb，由于壁厚方向應(yīng)力梯度的影響，計(jì)算得到的ZPSS通常比管壁外表面處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力略?。ㄒ?jiàn)圖2）。這種現(xiàn)象可認(rèn)為是零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)彎曲應(yīng)力的一種折減，從而可以在一定程度上考慮管壁厚度方向上應(yīng)力梯度對(duì)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響。如圖7（b）所示，軸向拉伸載荷作用下，主管上計(jì)算得到的ZPSS與HSS差異的最大值出現(xiàn)在鞍點(diǎn)位置，這是由于在該點(diǎn)處的局部彎曲效應(yīng)最顯著。對(duì)于其他載荷類(lèi)型，可由該原因得到同樣類(lèi)似的現(xiàn)象。

3 零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法用于T型管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命評(píng)估的有效性和計(jì)算精度，作者選取來(lái)自英國(guó)海上鋼鐵研究項(xiàng)目（UKOSRP-I）[17]的32個(gè)焊接管節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。表2[18]中詳細(xì)列出了32個(gè)管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)、外加載荷類(lèi)型、測(cè)試得到的HSS以及疲勞失效壽命N，表中同時(shí)給出了本文計(jì)算得到的ZPSS以及ZPSS與HSS的比值。圖8將試驗(yàn)測(cè)得的T型管節(jié)點(diǎn)HSS與有限元數(shù)值計(jì)算得到的ZPSS進(jìn)行了比較。

表2 T型管節(jié)點(diǎn)[18]參數(shù)及試驗(yàn)測(cè)量的HSS和計(jì)算的ZPSSTab.2 Geometric parameters,measured HSS and calculated ZPSS of the tubular T-joints[18]

續(xù)表2

圖8 T型管節(jié)點(diǎn)測(cè)量HSS與計(jì)算ZPSS的比較Fig.8 Stress comparison between the measured HSS and calculated ZPSS of tubular T-joints

表3 T型管節(jié)點(diǎn)的無(wú)量綱參數(shù)Tab.3 Non-dimensional geometric parameters of tubular T-joints

由圖8可以看出，兩種方法的計(jì)算結(jié)果總體上來(lái)看非常接近，分布規(guī)律相似，這說(shuō)明了ZPSS用于管節(jié)點(diǎn)的可行性和正確性。同時(shí)，對(duì)所有載荷作用下的管節(jié)點(diǎn)，ZPSS法的計(jì)算結(jié)果始終略小于HSS法計(jì)算結(jié)果，這主要是由于ZPSS法中考慮了管壁厚度方向彎曲應(yīng)力的應(yīng)力梯度，而HSS法直接選取了結(jié)構(gòu)表面處插值得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。需要注意，雖然HSS與ZPSS兩種方法對(duì)應(yīng)的疲勞評(píng)估應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)不同，但二者的目的均是評(píng)估熱點(diǎn)處的疲勞強(qiáng)度。ZPSS法的計(jì)算結(jié)果在某種程度上可看作是對(duì)HSS法計(jì)算結(jié)果的一種修正，這種修正即是為了考慮管壁厚度方向應(yīng)力梯度對(duì)疲勞壽命的影響。在ZPSS法中，在結(jié)構(gòu)表面以下一定深度處取計(jì)算點(diǎn)，其思想類(lèi)似于切口應(yīng)力法中的點(diǎn)法[19-20]。理論上HSS與ZPSS兩種方法的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該比較接近，但ZPSS法應(yīng)該更合理。另外，如表2所示，ZPSS與HSS之間的比值在大部分情況下為90%，這說(shuō)明ZPSS法可以考慮管壁厚度方向應(yīng)力梯度對(duì)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響，因而比傳統(tǒng)的HSS法具有更高的精度。

4 T型管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)參數(shù)方程

有限元計(jì)算結(jié)果表明，零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)SCFZP沿管節(jié)點(diǎn)極性角φ的分布規(guī)律是其幾何參數(shù)及外加載荷共同影響的結(jié)果。為便于零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法在實(shí)際工程中的應(yīng)用，作者基于對(duì)各基本載荷作用下數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析，提出了以無(wú)量綱參數(shù)為變量的SCFZP參數(shù)公式。數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，主管外徑取值為D=600 mm，支管長(zhǎng)度取值為l=3 000 mm，通過(guò)對(duì)600組不同幾何參數(shù)的T型焊接管節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)表3）進(jìn)行計(jì)算，得到了各基本載荷作用下沿管節(jié)點(diǎn)焊縫交線(xiàn)的應(yīng)力分布狀態(tài)。

由圖7中可以看出，管節(jié)點(diǎn)在不同類(lèi)型載荷作用下其應(yīng)力分布狀態(tài)差異較大，因此對(duì)不同載荷類(lèi)型作用下的應(yīng)力分布規(guī)律分別進(jìn)行考慮。由圖7同時(shí)可以看出，零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)SCFZP沿著支管/主管交線(xiàn)的分布與極性角φ之間關(guān)系非常復(fù)雜，SCFZP隨極性角φ的分布可視為一個(gè)周期內(nèi)的周期函數(shù)。容易得知，任何周期函數(shù)都可以用由正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無(wú)窮級(jí)數(shù)（即傅里葉級(jí)數(shù)）來(lái)表示。本文通過(guò)收斂性測(cè)試，選擇三階傅里葉級(jí)數(shù)作為擬合SCFZP隨極性角φ分布規(guī)律的基本形式，如（6）式所示。

其中：a0、an、bn以及ω是傅里葉級(jí)數(shù)的系數(shù)，φ表示管節(jié)點(diǎn)沿著焊縫的極性角。

進(jìn)一步基于各基本載荷作用下的600組數(shù)值計(jì)算結(jié)果，利用數(shù)值分析軟件通過(guò)逐步回歸算法對(duì)（6）式中的系數(shù)a0，a1，b1，a2，b2，a3，b3以及ω進(jìn)行擬合，最終得到了以無(wú)量綱參數(shù)為輸入變量的SCFZP參數(shù)公式，見(jiàn)附錄A。對(duì)參數(shù)公式適用范圍內(nèi)的任意T型管節(jié)點(diǎn)，利用該組公式可直接計(jì)算其SCFZP沿焊縫交線(xiàn)的分布規(guī)律，得到SCFZP極值出現(xiàn)的位置和大小。

為驗(yàn)證SCFZP參數(shù)公式的計(jì)算精度，本文對(duì)參數(shù)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。分析過(guò)程中，對(duì)任意尺寸的T型管節(jié)點(diǎn)，選取沿焊縫交線(xiàn)的SCFZP最大值用于誤差計(jì)算。參數(shù)公式計(jì)算得到的SCFZP誤差可由（7）式定義為

其中：SCFZP-PAR及SCFZP-FEM分別表示SCFZP的公式計(jì)算結(jié)果和有限元法計(jì)算結(jié)果。

圖9 SCFZP參數(shù)公式計(jì)算結(jié)果的誤差頻率直方圖Fig.9 Histograms showing percentage errors of SCFZPparametric equation predictions

圖9所示為本文所提出的SCFZP各參數(shù)公式誤差頻率分布直方圖，圖中每一豎列的誤差分布范圍為橫軸上給定的中間值±1%。由上圖可以看出，各直方圖中誤差的分布均以峰值處為中心，向兩側(cè)迅速減小為0；峰值附近的誤差概率最高，且誤差的整體分布范圍較窄，這說(shuō)明了數(shù)值回歸參數(shù)方程SCFZP計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的一致性。SCFZP參數(shù)公式計(jì)算結(jié)果的最大誤差約為28%，出現(xiàn)在面外彎曲載荷作用下的主管上，如圖9（f）所示。SCFZP的參數(shù)公式計(jì)算結(jié)果的誤差絕大部分分布在-10%到10%的范圍內(nèi)，圖9（a）-（d）中的SCFZP計(jì)算誤差主要分布在-5%到5%之間。以上的誤差分析結(jié)果表明，本文擬合得到的SCFZP參數(shù)公式精度較高，可用于工程實(shí)際。

5 結(jié) 論

（1）提出了焊接管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的定義，通過(guò)與熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法在管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析中的適用性和可行性。

（2）通過(guò)與國(guó)際疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了管節(jié)點(diǎn)零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的正確性以及考慮壁厚方向應(yīng)力梯度的有效性。

（3）基于大量數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出了零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)參數(shù)方程，可對(duì)任意基本載荷作用下支管/主管焊縫交線(xiàn)上的SCFZP進(jìn)行計(jì)算，便于工程應(yīng)用。

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附錄A

A.1 AX載荷作用下零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)SCFZP參數(shù)方程

（1）支管

（2）主管

A.2 IPB載荷作用下零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)SCFZP參數(shù)方程

（1）支管

（2）主管

A.3 OPB載荷作用下零點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)SCFZP參數(shù)方程

（1）支管

（2）主管

注意：

（1）所有的參數(shù)方程應(yīng)在下述范圍內(nèi)使用：

（2）φ的單位為度。

A new method for stress analysis of tubular joints in offshore platform

SU Jing1,ZHAO Xiao-ling2,LIU Gang3
(1.China National Offshore Oil Corporation,Beijing 100028,China;2.Dalian Shipbuilding Industry Engineering and Research Institute,Dalian 116005,China;3.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Fatigue damage in welded tubular joints is almost unavoidable due to combined effect of stress concentration and random stresses.To improve accuracy of fatigue life estimation of welded tubular joints,a new structural stress approach for tubular joints is proposed,where a point below the outer surface along the wall thickness direction is adopted as the fatigue assessment point.The applicability and correctness of the new method for fatigue strength assessment of tubular joints,as well as its effectiveness in considering the stress gradient along the wall thickness,are verified by comparing the numerical results with published experimental data of fatigue tests.Based on finite element analysis,parametric equations are derived for calculating stress concentration factors at all angular positions along the intersection of tubular T-joints.The accuracy of the parametric equations is finally validated.

welded tubular joints;stress concentration;structural stress;stress gradient;fatigue life

TG405

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.012

1007-7294（2016）11-1449-13

2016-07-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51179027，51221961，51379031）；國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB013704）

粟 京（1959-），男，碩士,高級(jí)工程師,E-mail：sujing@cnooc.com.cn；劉 剛（1975-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:liugang@dlut.edu.cn。