基于時(shí)域分析方法的平臺結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析

韓元吉 王浩煜 秦 勉 岳 題 黃 山

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610241）

0 引言

21世紀(jì)被認(rèn)為是海洋的世紀(jì)，隨著陸地資源的日益枯竭，人們紛紛將目光投向了海洋，如何合理有效地開發(fā)海洋資源，給人類帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。各國都從國家層面高度重視海洋資源的開發(fā)，制定發(fā)展戰(zhàn)略，渴望能夠走在海洋資源開發(fā)的前列。海洋平臺作為海洋資源開發(fā)的重要裝備，是一個(gè)國家海洋裝備制造能力的重要標(biāo)志。

海洋平臺往往是高出海平面的一種海洋工程結(jié)構(gòu)物，能夠?yàn)殂@井、采油、集運(yùn)、觀測、導(dǎo)航、施工等海上作業(yè)提供生產(chǎn)場地和生活設(shè)施，在海洋工程領(lǐng)域中具有非常廣泛的應(yīng)用。由于海洋平臺往往在近海進(jìn)行作業(yè)，會(huì)常年受到風(fēng)載荷、波浪載荷等交變載荷作用，很容易發(fā)生疲勞破壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)平臺的坍塌。同時(shí)，海洋平臺作業(yè)地點(diǎn)往往地處近海，救援很不方便，一旦發(fā)生破壞，將會(huì)導(dǎo)致重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，嚴(yán)重污染海洋環(huán)境，因此，對海洋平臺進(jìn)行可靠性和安全性分析是確保其能夠在服役年限內(nèi)正常工作重要環(huán)節(jié)[1]。

疲勞破壞是工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一，是由于結(jié)構(gòu)上的某點(diǎn)或者某些點(diǎn)在擾動(dòng)應(yīng)力作用下，在足夠多的循環(huán)之后形成裂紋或完全斷裂的過程。引起疲勞破失效的循環(huán)載荷的峰值往往小于根據(jù)靜態(tài)斷裂分析估算出來的安全載荷，在工程應(yīng)用中，構(gòu)件大都承受擾動(dòng)載荷，大部分的結(jié)構(gòu)破壞失效都是由疲勞破壞引起的[2]。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

導(dǎo)管架平臺是一種固定式平臺，可以分為上層平臺和下部導(dǎo)管架兩個(gè)部分。上層平臺為工作平面，為生產(chǎn)生活提供場地，是一個(gè)矩形，長30 m，寬20 m，高處水面15 m；導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)為支撐結(jié)構(gòu)，主體為4根主導(dǎo)管，其間用細(xì)桿做支撐，通過主導(dǎo)管插入海底泥土進(jìn)行固定，其模型如圖1所示[3]。

圖1 導(dǎo)管架平臺

1.2 研究方法

本文首先進(jìn)行了導(dǎo)管架平臺靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行波浪載荷作用下的導(dǎo)管架平臺瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，獲得了危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力-時(shí)間歷程；其次運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法對應(yīng)力-時(shí)間歷程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)；最后基于S-N曲線，應(yīng)用線性累計(jì)損傷理論機(jī)構(gòu)的累計(jì)損傷值，估算得到結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[4]。分析流程如圖2所示：

圖2 研究思路

2 有限元法分析

2.1 有限元模型

根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)尺寸，建立導(dǎo)管架平臺有限元模型，各部分單元選擇如表1所示。整個(gè)模型都采用同一種鋼材，鋼材的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，屈服極限為360 MPa。對4跟主導(dǎo)管下端施加固定約束，有限元模型如圖3所示。

表1 導(dǎo)管架平臺各部分單元類型和實(shí)常數(shù)

圖3 導(dǎo)管架平臺有限元模型

2.2 模態(tài)分析

為分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征，采用Block Lanczos方法對導(dǎo)管架平臺進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到導(dǎo)管架平臺的前六階固有頻率和前六階振型，分別如表2和圖4所示。

表2 導(dǎo)管架平臺前六階固有頻率

圖4 導(dǎo)管架平臺前六階振型

2.3 靜力學(xué)分析

采用5階stokes模擬波浪載荷，波浪參數(shù)如表3。在進(jìn)行靜力學(xué)分析前，首先進(jìn)行波流耦合分析，以確定波流耦合最大的相位角，波流耦合力隨相位角關(guān)系曲線如圖5所示，可見，在相位角為46°時(shí)，波流耦合力最大，為4 912 kN，以此作為靜力學(xué)分析的輸入，進(jìn)行導(dǎo)管架平臺靜力學(xué)分析，導(dǎo)管架平臺應(yīng)力分布及變形云圖如圖6所示，可以看出，柱腿底部處應(yīng)力最大，達(dá)112 MPa。

表3 波浪載荷參數(shù)

圖5 波流耦合力-相位角關(guān)系曲線

圖6 靜力學(xué)響應(yīng)云圖

2.4 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

有靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知，柱腿底部應(yīng)力最大，最易發(fā)生疲勞破壞，通過瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)相應(yīng)分析，該節(jié)點(diǎn)在0～100 s的應(yīng)力-時(shí)間歷程如圖7所示。

圖7 柱腿底部節(jié)點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間歷程曲線

3 疲勞計(jì)算

3.1 雨流計(jì)數(shù)法

雨流計(jì)數(shù)規(guī)則如下[5]：

（1）將應(yīng)力—時(shí)間歷程旋轉(zhuǎn)90°，使時(shí)間軸豎直向下；

（2）雨流從實(shí)驗(yàn)記錄的起點(diǎn)和依次從峰谷值的內(nèi)側(cè)開始；

（3）雨流在遇到峰谷值時(shí)豎直下滴，一直流到對面有一個(gè)比開始時(shí)的值更大的最大值（或更小的最小值）為止；

（4）當(dāng)雨流遇到前面流下來的雨時(shí)，就停止流動(dòng)；

（5）提取出全循環(huán)，統(tǒng)計(jì)應(yīng)力幅值和應(yīng)力平均值。

其具體步驟如下：如圖8所示，雨流從1開始下流，到達(dá)2后，豎直下流，經(jīng)過點(diǎn)3和點(diǎn)4中間的2’點(diǎn)，然后流到4點(diǎn)，豎直下流到5點(diǎn)對面停止。（5點(diǎn)是第一個(gè)比1點(diǎn)更負(fù)的值）；同理，雨滴從點(diǎn)2開始流，在第一個(gè)比2點(diǎn)更大的點(diǎn)4的對面停止；雨滴從3點(diǎn)開始流，遇到從1點(diǎn)流下來的雨滴點(diǎn)2’而停止。從而就可以提取出全循環(huán)3-2-2’。用同樣的方法可以提取出全循環(huán)5-6-5’、8-9-8’。

基于以上規(guī)則，基于MATLAB編寫雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)程序。

3.2 疲勞壽命估算

選取導(dǎo)管架平臺柱腿低端處0～30 min內(nèi)的應(yīng)力時(shí)間歷程曲線，進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段內(nèi)的應(yīng)力幅值和平均值，采用Goodman經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行等損傷轉(zhuǎn)換，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表4所示：

表4 導(dǎo)管架平臺疲勞損傷估算

在0到30 min這段時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)管架平臺柱腿底部累計(jì)損傷D=8.05×10-6，則導(dǎo)管架平臺疲勞壽命為：

4 結(jié)論

基于Ansys平臺建立導(dǎo)管架平臺有限元模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析、波流耦合作用下的最大載荷靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，基于疲勞分析原則，完成了平臺結(jié)構(gòu)疲勞損傷估算，評估了導(dǎo)管架平臺的疲勞壽命。