冰激自升式海洋平臺(tái)疲勞壽命分析

李曉曉， 張大勇， 岳前進(jìn)， 劉　笛

(1.大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221)

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冰激自升式海洋平臺(tái)疲勞壽命分析

李曉曉1， 張大勇2， 岳前進(jìn)2， 劉笛1

(1.大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221)

摘要：自升式平臺(tái)屬于典型的柔性結(jié)構(gòu)，在海冰作用下容易發(fā)生冰激振動(dòng)現(xiàn)象，冰振不僅能夠產(chǎn)生較大的平臺(tái)加速度，引起平臺(tái)工作人員不適，而且會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，因此，寒區(qū)自升式海洋平臺(tái)的冰激疲勞壽命分析非常必要?；陂_(kāi)展的冰與帶齒條結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)，該文首先明確了冰與自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)的相互作用形式；其次，提出自升式平臺(tái)冰振疲勞壽命分析流程；最后，以渤海某典型自升式平臺(tái)為例，利用ANSYS軟件進(jìn)行冰激疲勞壽命分析。該文的研究對(duì)于寒區(qū)自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)；疲勞分析；數(shù)值模擬；抗冰平臺(tái)

0引言

自升式平臺(tái)是勘探、開(kāi)發(fā)海上石油資源的重要裝備之一，在極地與亞極區(qū)有著廣泛的使用前景。自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成包括若干個(gè)樁腿和一個(gè)主體平臺(tái)，通過(guò)升降裝置的作用，完成樁腿和平臺(tái)的升降過(guò)程。樁腿除了能夠支撐平臺(tái)的重量外，還必須承受海洋環(huán)境中各種力的作用。自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)多種多樣，按照樁腿的型式可以分為殼體式平臺(tái)和桁架式平臺(tái)兩種[1]。殼體式平臺(tái)樁腿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，主要適用于水深不超過(guò)60 m～70 m的海域；桁架式平臺(tái)樁腿制作復(fù)雜，但是能夠減少作用在樁腿上的波浪力，主要適用于較大水深的海域?？梢?jiàn)，殼體式樁腿的自升式平臺(tái)是適合極地和我國(guó)渤海冰區(qū)的結(jié)構(gòu)形式。殼體式樁腿由鋼板焊接成封閉的結(jié)構(gòu)，在水線位置不是簡(jiǎn)單的圓柱或斜面形狀，其兩側(cè)帶有齒條。此外，自升式平臺(tái)與一般的導(dǎo)管架平臺(tái)存在差別，自升式平臺(tái)基礎(chǔ)淺，上部質(zhì)量大，且樁腿之間沒(méi)有撐桿連接，較導(dǎo)管架平臺(tái)柔度大。

自升式平臺(tái)在復(fù)雜的海洋環(huán)境中會(huì)承受風(fēng)、浪、流、地震和海冰等作用[2]，目前的大多數(shù)文獻(xiàn)中僅僅考慮風(fēng)、浪和流環(huán)境荷載，而海冰荷載沒(méi)有過(guò)多關(guān)注[3]。在我國(guó)渤海及全球高緯度的結(jié)冰海域，海冰是主要的控制荷載，冰荷載作用在自升式平臺(tái)樁腿上發(fā)生的破壞形式比圓柱結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。此外，海冰與自升式平臺(tái)相互作用的過(guò)程中，如果破碎產(chǎn)生的固有周期與平臺(tái)的周期接近，即可發(fā)生冰激振動(dòng)現(xiàn)象。冰振不僅會(huì)產(chǎn)生較大的位移和加速度，嚴(yán)重的冰振還會(huì)引起工作人員的不適以及平臺(tái)的疲勞破壞，因此，進(jìn)行冰區(qū)自升式平臺(tái)的疲勞分析是有必要的[4]。波浪條件下的平臺(tái)疲勞分析已經(jīng)較為成熟，但是關(guān)于冰區(qū)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析的工作較少。API-RP-2N[5]也提出，必要時(shí)應(yīng)對(duì)冰區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，但沒(méi)有提出具體的分析方法，原因是動(dòng)冰力模型與冰疲勞環(huán)境參數(shù)的研究尚不成熟[6]。方華燦等[7]進(jìn)行了低溫隨機(jī)冰載作用下疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了疲勞壽命曲線及其參數(shù)，提供了管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分析的新方法。岳前進(jìn)等[8]基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)冰區(qū)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)結(jié)果提出建立錐體冰荷載和冰疲勞參數(shù)的方法。這些研究為冰區(qū)平臺(tái)冰激疲勞分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

自升式平臺(tái)屬于柔性抗冰結(jié)構(gòu)，盡管國(guó)內(nèi)外針對(duì)冰與直立和錐體柔性抗冰結(jié)構(gòu)的相互作用進(jìn)行了廣泛研究，但目前自升式平臺(tái)還沒(méi)有大規(guī)模在冰區(qū)應(yīng)用，我國(guó)渤海也只是在冰情較弱的海域或季節(jié)使用，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息，模型試驗(yàn)成為比較準(zhǔn)確的研究手段。該文基于開(kāi)展的冰與齒輪齒條相互作用的模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作：(1) 明確海冰與帶齒條樁腿的相互作用；(2) 建立冰激自升式平臺(tái)疲勞壽命分析流程；(3) 以渤海某典型自升式平臺(tái)為例，利用ANSYS軟件建立模型并進(jìn)行自升式平臺(tái)的冰振疲勞壽命分析。

1海冰與自升式平臺(tái)樁腿的相互作用

1.1海冰與帶齒條結(jié)構(gòu)的模型實(shí)驗(yàn)

圖1所示為大連理工大學(xué)自升式平臺(tái)冰荷載模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。自升式平臺(tái)樁腿是帶齒輪齒條結(jié)構(gòu)，在水平面處并不是簡(jiǎn)單的圓柱或斜面形狀，所以冰作用在此類結(jié)構(gòu)上發(fā)生的破壞不是簡(jiǎn)單的擠壓或者彎曲破壞。該文提到的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且哉鎸?shí)的自升式平臺(tái)為原型，采用幾何相似比λ=16進(jìn)行研究。

圖1　冰荷載模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)選定了四種工況：(1)無(wú)齒條光滑圓柱；(2)齒條方向平行于來(lái)冰方向；(3)齒條方向與來(lái)冰方向成45 °角；(4) 齒條方向垂直于來(lái)冰方向。三種冰速0.5 mm/s，20 mm/s和40 mm/s下分別開(kāi)展最大靜冰力和最大動(dòng)冰力的研究。冰速0.5 mm/s下模擬準(zhǔn)靜態(tài)冰力，結(jié)果如圖2所示，冰速20 mm/s和40 mm/s下模擬動(dòng)冰力結(jié)構(gòu)振動(dòng)，結(jié)果如圖3、圖4所示。經(jīng)分析可知，四種工況下極值靜冰力大小雖不同但差距并不明顯。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：(1) 齒條的存在并沒(méi)有使極值靜冰力大小發(fā)生顯著的改變，這是由于齒條的寬度與樁腿直徑相比較小，沒(méi)有從根本上改變冰的破碎模式；(2) 帶齒條的樁腿結(jié)構(gòu)同樣會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)，原因在于齒條的尺寸遠(yuǎn)小于壓頭直徑，因而齒條的存在無(wú)法改變冰板的擠壓破壞模式。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，自升式平臺(tái)樁腿與冰的相互作用可以參考常見(jiàn)的導(dǎo)管架平臺(tái)(直立結(jié)構(gòu))與冰的相互作用。

圖2　四種工況下極值靜冰力的比較

圖3　中等冰速下冰振響應(yīng)　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　快冰速下冰振響應(yīng)

根據(jù)多年監(jiān)測(cè)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用擠壓占主導(dǎo)地位。冰擠壓破碎形式主要分為三種：準(zhǔn)靜態(tài)冰力、穩(wěn)態(tài)冰力和隨機(jī)冰力[8]。三種破碎形式中，準(zhǔn)靜態(tài)冰力出現(xiàn)頻率不高，而且對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響較小，所以在分析時(shí)可忽略不計(jì)；穩(wěn)態(tài)振動(dòng)冰力雖然出現(xiàn)概率也不高，但是對(duì)結(jié)構(gòu)影響較大，分析過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮；隨機(jī)振動(dòng)冰力冰況出現(xiàn)概率最大，應(yīng)當(dāng)充分考慮。

圖5　穩(wěn)態(tài)冰力模型

1.2穩(wěn)態(tài)振動(dòng)冰力

當(dāng)冰速2 cm/s

K?rn?(2007)根據(jù)渤海實(shí)測(cè)的自激振動(dòng)冰力時(shí)程，給出了簡(jiǎn)化的三角波時(shí)域函數(shù)，表征產(chǎn)生自激振動(dòng)的冰力隨時(shí)間的變化特征[10]，如圖5所示。

Fmax是冰力最大值，可根據(jù)式(1)計(jì)算極值靜冰力：

(1)

式中：α為系數(shù)，根據(jù)窄體結(jié)構(gòu)靜冰力現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)研究成果，取0.7；σc為海冰的單軸壓縮強(qiáng)度，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，取2.0 MPa；h為冰厚，m；D為冰與結(jié)構(gòu)接觸寬度，即樁腿直徑，m；ΔF=qFmax，q=0.1～0.5；Fmax為冰力平均值，可通過(guò)Fmax-ΔF/2計(jì)算；T為冰力周期，計(jì)算中可近似取為結(jié)構(gòu)固有周期；α為加載階段系數(shù)，通常選取0.6～0.9，該文取0.7。

1.3隨機(jī)振動(dòng)冰力

當(dāng)冰速較快時(shí)，冰與結(jié)構(gòu)相互作用，受擠壓破壞成不規(guī)則的塊狀，由此對(duì)結(jié)構(gòu)形成的合力也是不規(guī)則的，同時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的振動(dòng)。由于隨機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)的概率較大，在疲勞分析中，應(yīng)給予充分的考慮。

K?rn?和Qu根據(jù)渤海和波斯尼亞灣燈塔上測(cè)得的大量樣本的隨機(jī)冰荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析建立了隨機(jī)冰力譜[11]：

(2)

2自升式平臺(tái)疲勞分析流程

2.1自升式平臺(tái)冰激疲勞分析方法

目前疲勞設(shè)計(jì)方法主要有以下四種：耐久性設(shè)計(jì)、無(wú)限壽命設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)和安全壽命設(shè)計(jì)[12]。疲勞問(wèn)題是非常復(fù)雜的，單純的一種分析方法不能夠解決所有問(wèn)題，所以以上四種方法都是不可或缺的。不同的結(jié)構(gòu)、不同的情況應(yīng)該具體分析，選取合適的疲勞分析方法。對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，安全壽命分析方法應(yīng)用比較多，適應(yīng)于新建的海洋結(jié)構(gòu)的疲勞分析。鑒于以上原因，該文選取的方法為安全壽命分析方法。安全壽命分析方法的依據(jù)包括Miner理論和材料的S-N曲線。

疲勞應(yīng)力分析中疲勞損傷及壽命的計(jì)算方法主要有時(shí)間域法和譜方法[13]。對(duì)于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，根據(jù)K?rn?(2007)給出的簡(jiǎn)化三角波時(shí)域函數(shù)，采用時(shí)間域法進(jìn)行分析；對(duì)于隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)，結(jié)合K?rn?和Qu(2007)建立的隨機(jī)冰力譜函數(shù)，采用譜分析法分析。

2.2自升式平臺(tái)冰振疲勞壽命分析過(guò)程

(1) 建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

利用ANSYS軟件根據(jù)結(jié)構(gòu)原型的尺寸等幾何性質(zhì)建立三維模型并保證模型和結(jié)構(gòu)的剛度、頻率、阻尼及質(zhì)量等相似，保證模型的準(zhǔn)確性。

(2) 建立冰疲勞環(huán)境模型

根據(jù)冰荷載的冰速和冰厚進(jìn)行冰況的劃分，并且根據(jù)公式計(jì)算各個(gè)冰況出現(xiàn)的頻率。

(3) 確定冰荷載模型

對(duì)于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的冰力模型如圖3所示，并結(jié)合公式1進(jìn)行計(jì)算，隨機(jī)振動(dòng)冰力譜模型根據(jù)公式2進(jìn)行計(jì)算。

(4) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

分別利用時(shí)間域法和譜分析法對(duì)模型進(jìn)行分析，得到穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)力。

(5) 估算每一冰況應(yīng)力循環(huán)數(shù)

應(yīng)力循環(huán)數(shù)由式(3)計(jì)算所得：

(3)

式中：Plcj為j工況冰情出現(xiàn)概率；d為冰期，天； f為結(jié)構(gòu)的自振頻率，Hz。

(6) 疲勞壽命估算

利用Miner理論估算危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷。

3實(shí)例分析

圖6　平臺(tái)有限元模型

圖7　combin14單元模擬樁土模型圖

以某自升式平臺(tái)為例，該平臺(tái)是四樁腿結(jié)構(gòu)，固定荷載2 900 t，可變荷載1 000 t。利用ANSYS軟件建立有限元模型，上部質(zhì)量用質(zhì)量單元mass21模擬，結(jié)構(gòu)的其他單元全部用shell181模擬，樁土的相互作用采用文克勒模型簡(jiǎn)化處理，將土壤的作用采用彈簧單元combin14模擬，并將樁靴簡(jiǎn)化成圓柱型以便彈簧單元的施加。建立的有限元模型如圖6所示，彈簧模型如圖7所示，模態(tài)分析計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)頻率見(jiàn)表1。

表1　平臺(tái)固有頻率

3.1冰疲勞環(huán)境模型

冰疲勞環(huán)境參數(shù)主要包括冰厚、冰速、冰彎曲強(qiáng)度、冰期以及冰流向。建立的冰疲勞環(huán)境模型主要包括以上五個(gè)參數(shù)的長(zhǎng)期概率分布，因此必須獲得較長(zhǎng)年限的冰情資料。目前，獲得冰情資料的方法主要有數(shù)值模擬、資料推算和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等。岳前進(jìn)、劉圓等人對(duì)JZ20-2海域進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)，并累積了多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)1996年～2003年的冰情等級(jí)和有效冰期以及1960年～2004年中各種冰情出現(xiàn)的頻率數(shù)據(jù)，得出JZ20-2海域44年一遇的有效冰期為42天。季順迎等[14]對(duì)渤海遼東灣JZ20-2海域1996年～2000年的海冰觀測(cè)和數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別給出了冰厚和冰速的概率分布，冰厚的概率密度為：

(4)

冰速的概率密度為

(5)

由式(4)、式(5)可得冰厚和冰速的聯(lián)合概率分布，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　疲勞冰況出現(xiàn)的概率

3.2熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)式1、式2，可以確定每種冰況的冰力模型，各種冰況的穩(wěn)態(tài)冰力幅值見(jiàn)表3，直立結(jié)構(gòu)冰力自功率譜如圖8所示。利用ANSYS對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到的熱點(diǎn)位于平臺(tái)底部與樁腿的交界處，如圖9所示，得到的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)下熱點(diǎn)應(yīng)力分別見(jiàn)表4、表5。

表3　各冰況下穩(wěn)態(tài)冰力幅值

表4　穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)處的應(yīng)力

圖8　直立結(jié)構(gòu)隨機(jī)冰力譜形式　　(冰速0.2m/s，冰厚0.12m)

圖9　熱點(diǎn)位置

應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差/MPa冰厚度/cm612182430冰速度/(cm/s)101842.554.171.290.12018.837.666.475.193.93018.937.956.875.794.74018.937.856.675.594.45018.737.666.475.193.96018.937.956.875.794.77018.937.856.675.594.48018.737.666.475.193.99018.937.956.875.794.710018.937.856.675.594.4

3.3熱點(diǎn)疲勞損傷及壽命計(jì)算

通過(guò)估算每種冰況下的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，然后利用Miner理論估算危險(xiǎn)結(jié)點(diǎn)總的疲勞損傷，從而計(jì)算出該自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。表6、表7分別說(shuō)明了穩(wěn)態(tài)振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)下對(duì)應(yīng)工況的疲勞損傷。通過(guò)計(jì)算得知，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)引起的疲勞總損傷為0.001 218 141/年，隨機(jī)振動(dòng)引起的疲勞總損傷為0.001 572 164/年，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的疲勞損傷占總損傷的44%，隨機(jī)振動(dòng)疲勞損傷占總損傷的56%。由此可見(jiàn)，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)對(duì)自升式平臺(tái)的疲勞損傷的危害相差不大，均為主要因素，不容忽視。

表6　穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)疲勞損傷

表7　隨機(jī)振動(dòng)時(shí)管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)疲勞損傷

以上分析可知，該自升式平臺(tái)在各種冰況下的總疲勞損傷為0.002 790 305/年，平臺(tái)的冰振疲勞壽命為358年。對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)疲勞壽命至少為使用壽命的2倍，對(duì)于平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的疲勞分析，選取安全系數(shù)為7(API規(guī)范推薦)，則該自升式海洋平臺(tái)的疲勞壽命為51年。

CCS[15]和ABS[16]船級(jí)社規(guī)范要求中規(guī)定，疲勞壽命不得低于20年，所以該自升式平臺(tái)滿足規(guī)范要求。

4結(jié)論

通過(guò)海冰與帶齒條結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)得到以下結(jié)論：齒條的存在并沒(méi)有使極值靜冰力大小發(fā)生顯著的改變，帶齒條的樁腿結(jié)構(gòu)同樣會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的冰激振動(dòng)，齒條的存在無(wú)法改變冰板的擠壓破壞模式。因此，自升式平臺(tái)樁腿與冰的相互作用可以參考常見(jiàn)的導(dǎo)管架平臺(tái)(直立結(jié)構(gòu))與冰的相互作用，疲勞壽命分析過(guò)程中主要考慮中冰速下的穩(wěn)態(tài)振動(dòng)冰力和快冰速下的隨機(jī)振動(dòng)冰力。

應(yīng)用安全壽命法對(duì)自升式平臺(tái)進(jìn)行疲勞壽命分析，穩(wěn)態(tài)振動(dòng)采用時(shí)間域法分析，隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)采用譜分析法分析。基于該文提出的冰激結(jié)構(gòu)疲勞壽命計(jì)算流程對(duì)渤海某典型自升式平臺(tái)為例進(jìn)行分析，得到的疲勞壽命滿足規(guī)范要求。

自升式平臺(tái)適應(yīng)于我國(guó)渤海以及全球極區(qū)，冰荷載會(huì)產(chǎn)生冰激振動(dòng)，造成疲勞損傷，類比于導(dǎo)管架平臺(tái)的抗冰設(shè)計(jì)理念，可以加裝抗冰錐體，通過(guò)對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析顯示錐體有著明顯的抗冰效果。此外，還有端部隔振、隔振錐體和質(zhì)量阻尼器等減振措施。

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收稿日期：2015-08-15

作者簡(jiǎn)介：李曉曉(1991-)，女，碩士研究生。

文章編號(hào)：1001-4500(2016)03-0066-08

中圖分類號(hào):P75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Fatigue Life Analysis of the Jack-up Platform Induced by Ice Vibrations

LI Xiao-xiao1, ZHANG Da-yong2, YUE Qian-jin2, LIU Di1

(1.School of Mechanical and Power Engineering, Dalian Ocean University, Liaoning Dalian 116023, China; 2.School of Ocean Science & Technology, Dalian University of Technology, Liaoning Panjin 124221, China)

Abstract：Due to the specific environment of the Bohai Sea and structural features, ice-induced vibration will be easily for the Jack-up. The vibration can cause larger deck accelerations, discomfort the people who woked on platform and will produce structure fatigue damage. The ice-induced fatigue life analysis of Jack-up in ice areas is necessary. Based on the model test that test the interaction of the Jack-up with ice, this paper present the ice and Jack-up leg structure form of interaction. Secondly, a fatigue life evaluation method for Jack-up in ice areas is presented. Finally, A case study for typical Jack-up in Bohai Bay is presented in ANSYS. At the time ,the ice-reduced fatigue life of Jack-up which is built recently is analyzed in detail .The research results in this paper are helpful to the design and safety evaluation of Jack-up in ice areas.

Keywords：jack-up platform; fatigue analysis; numerical simulation; ice-resistant platform