基于SACS的重力式潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)平臺(tái)波流荷載下疲勞分析

宋雨澤 ，王項(xiàng)南 ，王 鑫 ，金 鑫 ，路 寬 ，韓林生 ，楊 寧

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津海油工程技術(shù)有限公司，天津 300100）

基于SACS的重力式潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)平臺(tái)波流荷載下疲勞分析

宋雨澤1，王項(xiàng)南1，王 鑫1，金 鑫2，路 寬1，韓林生1，楊 寧1

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津海油工程技術(shù)有限公司，天津 300100）

管節(jié)點(diǎn)是重力式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵卻薄弱的構(gòu)件，海洋平臺(tái)的失事很多也是由于構(gòu)件疲勞造成的，因此對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的疲勞分析，可以有效地減少管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中，增加節(jié)點(diǎn)疲勞壽命。以重力式潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)海洋平臺(tái)為例，采用三維SACS軟件建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)資料，應(yīng)用SACS軟件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行基于線彈性響應(yīng)的靜態(tài)加載條件下結(jié)構(gòu)分析，并計(jì)算相應(yīng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，根據(jù)S-N曲線計(jì)算在各種工況下平臺(tái)的管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷，其目的是為重力式可升降海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)建造以及疲勞分析提供一些有益的參考。

重力式；潮流能發(fā)電裝置；海洋平臺(tái)；SACS；疲勞分析

重力式平臺(tái)結(jié)構(gòu)是在我國(guó)海上平臺(tái)中應(yīng)用比較廣泛的一種平臺(tái)結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)是靠平臺(tái)自身重量穩(wěn)坐在海底堅(jiān)實(shí)土層之上。平臺(tái)的底部是一個(gè)或多個(gè)鋼筋混凝土沉箱組成的基座，基座上有鋼立柱或鋼筋混凝土立柱支撐上部甲板。重力式平臺(tái)在海洋環(huán)境中長(zhǎng)期工作，由于受到波浪荷載、工作荷載、自重、碰位荷載、風(fēng)荷載及冰荷載等多種荷載作用，引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)變化，而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。平臺(tái)結(jié)構(gòu)是由管件構(gòu)成的，在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，使疲勞問(wèn)題更加突出。為此，本文以擁有良好應(yīng)用前景的海洋可再生能源試驗(yàn)平臺(tái)-潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)平臺(tái)在黃渤海區(qū)某海域環(huán)境條件下為例，通過(guò)SACS軟件進(jìn)行疲勞分析，為進(jìn)行平臺(tái)工程設(shè)計(jì)相關(guān)疲勞計(jì)算應(yīng)用提供一些有益的參考。

圖1 重力式可升降式平臺(tái)

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

重力式可升降式平臺(tái)，上部是鋼結(jié)構(gòu)升降式平臺(tái)，下部為混凝土沉箱基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)水深為22 m，設(shè)計(jì)壽命為25 a。總體重量約為860 t，上部結(jié)構(gòu)平臺(tái)總共為一層，總體標(biāo)高為水平面上14 m，甲板面積大約為450 m2，下部結(jié)構(gòu)為兩根12 m高的立柱，底部固定到底座上，用于支持上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)和升降平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)組成如圖（1）所示。

2 平臺(tái)模型

圖2 計(jì)算模型

圖3 計(jì)算模型選取疲勞點(diǎn)

采用專(zhuān)業(yè)用于海洋工程有限元計(jì)算的軟件SACS，加載海洋平臺(tái)靜力分析軟件包和基本動(dòng)力疲勞軟件分析包進(jìn)行建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算。SACS軟件中包含三維圖形交互式建模，有限元求解器以及圖形交互后處理程序。整體在位分析模型包括維修平臺(tái)、升降平臺(tái)、立柱三部分。疲勞分析應(yīng)予以考慮在波浪力荷載作用下的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，整體計(jì)算模型見(jiàn)圖2，平臺(tái)立柱及升降平臺(tái)與混凝土底座約束見(jiàn)圖3所示。

3 基本荷載

波浪條件應(yīng)是長(zhǎng)期內(nèi)預(yù)期出現(xiàn)的全部海況的集合，為了結(jié)構(gòu)分析的目的，這種集合為波浪能量譜和具有出現(xiàn)概率的物理參數(shù)來(lái)表達(dá)的代表性海況。疲勞分析中所加載的基本荷載為波浪荷載，波浪力計(jì)算采用Morison方程結(jié)合SACS軟件電算方法。計(jì)算波浪作用在圓柱形體上的力取決于波長(zhǎng)與桿件直徑的比值。當(dāng)比值較大（＞5）時(shí)，則桿件不會(huì)明顯改變?nèi)肷洳ɡ耍ɡ肆砂词剑?）作為拖拽力和慣性力的和來(lái)計(jì)算：

式中：F為垂直于構(gòu)件軸線單位長(zhǎng)度上的水動(dòng)力矢量；FD為垂直作用于構(gòu)件軸線并在構(gòu)件軸線和速度U平面內(nèi)單位長(zhǎng)度上拖拽力矢量；FI為垂直作用于構(gòu)件軸線和平面內(nèi)的單位長(zhǎng)度的慣性力矢量；Cd為拖拽力系數(shù)，對(duì)典型設(shè)計(jì)情況，計(jì)算平臺(tái)的總波力時(shí)非遮蔽圓柱形構(gòu)件可取0.65；w為水的重度；g為重力加速度；A為垂直于圓桿軸線單位長(zhǎng)度上的投影面積；V為圓桿單位長(zhǎng)度上的面積（即直徑為D的圓桿面積）；D為圓形桿件有效直徑；U為垂直于桿件軸線的水流（由波浪引起的）；Cm為慣性力系數(shù)，取1.6；為垂直于構(gòu)件軸線的水流局部加速度矢量分量。該Morison方程，在計(jì)算慣性力時(shí)忽略了對(duì)流的加速度分量，同時(shí)也忽略了升力、沖擊力和軸向的Froude-Krylov力。根據(jù)該海域區(qū)域海洋環(huán)境波浪數(shù)據(jù)，采用1 a一遇最大值作為操作工況下的環(huán)境荷載取值，采用100 a一遇的最大值作為極端工況下的環(huán)境荷載取值。 結(jié)合 SACS 軟件采用 NE（ENE）、E（ESE）、SE（SSE）和S四個(gè)方位的年極值序列進(jìn)行波浪重現(xiàn)期推算，見(jiàn)表1，其中L011點(diǎn)流速是最壞，極限工況表層、中層、底層以2.5 m/s推算。

部分有代表性的在位分析基本荷載如表2。

表1 平臺(tái)點(diǎn)各方向不同重現(xiàn)期最大波高/m、有效周期/s

4 疲勞分析

在管連接的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮與局部循環(huán)應(yīng)力有關(guān)的疲勞問(wèn)題，對(duì)于承受環(huán)境荷載或操作引起的交變應(yīng)力的管連接，應(yīng)采用圖4所示S-N曲線。該曲線適用于隨機(jī)荷載并假定具有有效的陰極保護(hù)。應(yīng)用SACS軟件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行基于線彈性響應(yīng)的靜態(tài)加載條件下結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算在上述各種工況下的節(jié)點(diǎn)L011和L012點(diǎn)的最大應(yīng)力幅。

表2 基本荷載

圖4 疲勞S-N曲線

圖4中曲線可以表示為：

式中：N為循環(huán)應(yīng)力次數(shù)范圍Δσ和表3所列Δσref商的-m次方。

表3 Δσref和m時(shí)的容許循環(huán)次數(shù)

圖5 SACS結(jié)構(gòu)建模

圖6 波浪力疲勞分析

依據(jù)前表給出的波浪和海流參數(shù)的工況，可以計(jì)算出每個(gè)波浪荷載作用下平臺(tái)的疲勞應(yīng)力，平臺(tái)節(jié)點(diǎn)L011及L012節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力幅和最大彎矩幅、節(jié)點(diǎn)L011和L012使用疲勞壽命以及極限疲勞壽命如表4，根據(jù)疲勞S-N曲線法驗(yàn)算平臺(tái)在服役期（25 a）遠(yuǎn)小于表3中疲勞極限值。

表4 節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力幅及疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

重力式潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)海洋平臺(tái)在海洋環(huán)境中長(zhǎng)期工作，由于受到各種荷載作用，引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)變化，使疲勞問(wèn)題更加突出。因此需在平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行平臺(tái)疲勞分析計(jì)算，本文針對(duì)擁有良好應(yīng)用前景的重力式潮流能發(fā)電裝置試驗(yàn)海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中疲勞分析，采用SACS軟件電算法結(jié)合S-N曲線法，分析重力式海洋平臺(tái)疲勞壽命年限，從工程實(shí)際出發(fā)，為進(jìn)行重力式海洋平臺(tái)工程設(shè)計(jì)中疲勞計(jì)算應(yīng)用提供一些有益的參考。

[1]戴仰山，沈進(jìn)威，宋競(jìng)正.船舶波浪荷載[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[2]國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).14905-2004.海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法、工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法[S].2004-07-03.

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Fatigue Analysis for the Gravity Tidal Current Energy Generation Device Test Platform under the Wave and Current Forces Based on SACS

SONG Yu-ze1,WANG Xiang-nan1,WANG Xin1,JIN Xin2,LU Kuan1,HAN LIN-sheng1,YANG Ning1
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Petro-Offshore Engineering,Tianjin 300100,China)

The tubular joints are the most important and the weakest component of ocean platform.It has been found that tubular joints fatigue cracks are a dominating type of damage in ocean platform.So it is evident to study tubular joins fatigue behaviors to reduce stress concentration and improve fatigue lifetimes.Taking the gravity tidal current energy generation device test platform as an example,the construction of the model was built using SACS.Basing on the information

,the SACS software was applied to analyze the platform structure analysis based on linear elastic response under static loading conditions and to calculate the corresponding node stress.The fatigue damage of the component was calculated by S-N curve.The purpose is to provide some reference for building gravity tidal current energy generation device test platform and analysis of the fatigue for platform.

gravity;tidal current energy generation device;offshore platform;SACS;fatigue analysis

P75

A

1003-2029（2012）04-0071-04

2012-07-13

波浪能、潮流能海上試驗(yàn)與測(cè)試場(chǎng)建設(shè)論證及工程設(shè)計(jì)（GHME2010ZC10）

宋雨澤（1986-），男，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。Email：songyuze2008@live.com