疲勞譜分析方法及其在立柱式平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

李華祥

(上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

疲勞譜分析方法及其在立柱式平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

李華祥

(上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

基于海洋疲勞譜分析理論，對(duì)海洋桁架型立柱式(Truss Spar)平臺(tái)的疲勞強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)壽命進(jìn)行分析計(jì)算。基于經(jīng)典波浪疲勞譜理論，開(kāi)發(fā)出一套針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)的疲勞譜分析程序。同時(shí)，依據(jù)Goodman理論，將平均應(yīng)力對(duì)疲勞極限的影響進(jìn)行修訂。該疲勞程序與海洋結(jié)構(gòu)有限元分析模塊進(jìn)行無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)立柱式平臺(tái)有限元建模、水動(dòng)力載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)映射、有限元強(qiáng)度計(jì)算、疲勞計(jì)算的全自動(dòng)耦合。數(shù)值算例計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于在位工況條件桁架型立柱式平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)疲勞失效關(guān)鍵點(diǎn)在硬艙與桁架交接處，這為結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要參考。

立柱式平臺(tái)；疲勞譜分析；Goodman 理論；有限元分析

0 引 言

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)包括船體設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、規(guī)范校核三個(gè)部分。其中船體設(shè)計(jì)工作主要依據(jù)海洋工程行業(yè)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)。分析計(jì)算是在初步方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)已確定的平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和海洋環(huán)境等條件，進(jìn)行水動(dòng)力、穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、系泊強(qiáng)度、立管強(qiáng)度等分析與數(shù)值計(jì)算。規(guī)范校核則是對(duì)上述分析計(jì)算的結(jié)果，根據(jù)規(guī)范細(xì)則要求，對(duì)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核，校對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，并根據(jù)校核結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化和改進(jìn)意見(jiàn)。疲勞分析及以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)，又是平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算的一個(gè)重點(diǎn)。

作為一種新型海洋浮式平臺(tái)，立柱式(Spar)平臺(tái)的工程應(yīng)用在最近十幾年得到了迅猛增長(zhǎng)。但深海惡劣的動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境條件，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生損傷累積和裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)疲勞失效，這已成為海洋平臺(tái)破壞的最重要形式之一。因此，疲勞分析已成為立柱式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。目前，工程中多采用簡(jiǎn)化疲勞分析和疲勞譜分析方法來(lái)評(píng)估海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[1-7]。由于疲勞譜分析基于真實(shí)海況條件進(jìn)行直接計(jì)算，精度相應(yīng)較高，但存在計(jì)算流程復(fù)雜、涉及水動(dòng)力與有限元綜合分析計(jì)算、計(jì)算量大等困難，這方面的理論研究和實(shí)用工具也仍然在發(fā)展中。

基于經(jīng)典波浪疲勞譜分析理論，本文開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞譜分析計(jì)算程序，并將該程序與海洋結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度計(jì)算程序模塊進(jìn)行無(wú)縫連接。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能，完成浮式平臺(tái)疲勞分析所需的系列流程工作的耦合進(jìn)行。數(shù)值算例進(jìn)一步顯示該方法對(duì)桁架型立柱式(Truss Spar)平臺(tái)的適用性和先進(jìn)性。

1 疲勞譜分析方法

海洋結(jié)構(gòu)的疲勞譜分析是基于真實(shí)的海況和波浪載荷條件進(jìn)行直接的計(jì)算，比其他分析方法(如簡(jiǎn)化方法和確定性方法)精度高很多，所以成為海洋結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)首選方法。疲勞譜分析方法涉及復(fù)雜的水動(dòng)力和有限元交互計(jì)算，基于波浪譜和疲勞-壽命(S-N)曲線的損傷度計(jì)算是疲勞譜分析的核心，該計(jì)算的流程[8-9]如下。

(1) 計(jì)算結(jié)構(gòu)中某一點(diǎn)的應(yīng)力傳遞函數(shù)Hσ(ω|θ)。其做法是對(duì)結(jié)構(gòu)在指定的波浪頻率范圍和浪向角進(jìn)行一系列的應(yīng)力分析，得到的應(yīng)力結(jié)果就可以直接用于得到該點(diǎn)的應(yīng)力傳遞函數(shù)。

(2) 通過(guò)應(yīng)力傳遞函數(shù)Hσ(ω|θ)和波浪散布圖中某一短期海況的波浪譜密度函數(shù)Sη(ω|Hs,Tz)，可由下式得到應(yīng)力能量譜Sσ(ω|Hs,Tz,θ)：

(1)

(3) 計(jì)算應(yīng)力能量譜的譜矩，第n階譜矩mn表達(dá)式為

(2)

由于大部分的疲勞損傷是由中低海況引起的，因此應(yīng)該考慮短峰波的作用。短峰波會(huì)引起波浪能量的分散，這種分散可通過(guò)一個(gè)平方余弦函數(shù)加以考慮。通常，平方余弦函數(shù)假設(shè)的傳播方向?yàn)榕c選定波浪方向成-90°～+90°夾角的范圍內(nèi)，也即半個(gè)平面。考慮波浪擴(kuò)散函數(shù)后的譜矩公式為

(3)

(4) 應(yīng)用得到的譜矩，即可計(jì)算應(yīng)力范圍短期分布的概率密度函數(shù)(瑞利分布)的跨零周期和帶寬系數(shù)。瑞利分布概率密度函數(shù)為

(4)

跨零周期計(jì)算公式為

(5)

帶寬系數(shù)計(jì)算公式為

(6)

(5) 應(yīng)用Miner準(zhǔn)則計(jì)算疲勞損傷累積。當(dāng)某一短期海況產(chǎn)生的應(yīng)力短期分布的概率密度函數(shù)滿足瑞利分布時(shí)，那么第i個(gè)短期海況造成的短期疲勞損傷為

(7)

式中：Di為第i個(gè)短期海況造成的短期疲勞損傷；Td為設(shè)計(jì)壽命；foi為對(duì)應(yīng)于跨零周期的跨零頻率；pi為對(duì)應(yīng)于波浪散布圖的該短期海況出現(xiàn)的概率；gi為瑞利分布中產(chǎn)生應(yīng)力S的概率密度；m、K為S-N曲線參數(shù)。

對(duì)波浪散布圖中各個(gè)短期海況造成的損傷進(jìn)行累加，就得到總的累積損傷。計(jì)算公式如下：

(8)

式中：D為計(jì)算點(diǎn)處總的疲勞損傷；f0為計(jì)算點(diǎn)在結(jié)構(gòu)整個(gè)生命周期中的應(yīng)力范圍S的平均概率。

(6) 損傷計(jì)算解析表達(dá)式，對(duì)于兩段直線的S-N曲線，在拐點(diǎn)(NQ，SQ)處，該S-N雙直線的斜率從m變?yōu)閙+Δm，常數(shù)K1變?yōu)镵2，所以疲勞損傷表示為

(9)

式中：λ(m,εi)為雨流修正系數(shù)，

(10)

μi為低周疲勞損傷修正系數(shù)，

(11)

2 Goodman 疲勞方程

基于S-N曲線進(jìn)行工程疲勞計(jì)算與結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)時(shí)，試驗(yàn)曲線均基于循環(huán)對(duì)稱載荷，即σmax= -σmin，其中，σmax為材料在承受循環(huán)載荷過(guò)程中最大應(yīng)力值，σmin為材料承受循環(huán)載荷過(guò)程中最小應(yīng)力值。但是，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，大多數(shù)受力點(diǎn)處循環(huán)應(yīng)力為非對(duì)稱應(yīng)力，此時(shí)，試驗(yàn)曲線中的應(yīng)力幅 Δσ需要作相應(yīng)修訂，才能反映真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)下材料的疲勞極限。

不同的平均應(yīng)力可用應(yīng)力比R表示，其計(jì)算公式為

(12)

幾種典型循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力比R分別為

(13)

對(duì)于材料S-N曲線的測(cè)試，多數(shù)基于對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)狀態(tài)，即R= -1。在實(shí)際運(yùn)用這些S-N曲線時(shí)，還需根據(jù)不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)S-N曲線進(jìn)行修訂。即在結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算時(shí)，需根據(jù)不同應(yīng)力比R對(duì)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的應(yīng)力幅進(jìn)行修訂計(jì)算，然后根據(jù)修正后的應(yīng)力幅，配合使用S-N曲線，獲得結(jié)構(gòu)各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的疲勞極限。

在眾多的疲勞極限修訂理論中，Goodman理論目前在工程中應(yīng)用最為廣泛。Goodman 疲勞方程可表示如下：

(14)

式中：σF為修正后的疲勞極限應(yīng)力幅；σ-1為對(duì)稱循環(huán)下的疲勞極限應(yīng)力幅；σm為平均應(yīng)力。根據(jù)平均應(yīng)力和式(14)，對(duì)疲勞極限進(jìn)行修正，基于修正后的疲勞曲線，計(jì)算結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)的損傷度和疲勞強(qiáng)度：

(15)

式中：ψK為平均應(yīng)力影響系數(shù)；σb為材料的抗拉強(qiáng)度。平均應(yīng)力影響系數(shù)ψK的值不僅與材料有關(guān)，同時(shí)與應(yīng)力集中系數(shù)Kσ也相關(guān)。表1[8]給出鋼材Q345的平均應(yīng)力影響系數(shù)ψK。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中，一旦各材料點(diǎn)的應(yīng)力計(jì)算獲得，根據(jù)其應(yīng)力比R、平均應(yīng)力σm和應(yīng)力集中系數(shù)Kσ，則根據(jù)公式(15)或表1查詢獲得平均應(yīng)力影響系數(shù)ψK。然后根據(jù)公式(14)，對(duì)疲勞極限進(jìn)行修正，再根據(jù)修正后的疲勞曲線和參數(shù)，在相應(yīng)的材料S-N曲線或S-N曲線方程，獲得該受力點(diǎn)的疲勞極限循環(huán)數(shù)。結(jié)合上節(jié)理論，就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞譜分析計(jì)算。

表1 平均應(yīng)力影響系數(shù)

3 結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算流程

結(jié)構(gòu)疲勞譜計(jì)算基于結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度計(jì)算，為此首先需要進(jìn)行有限元建模和水動(dòng)力載荷計(jì)算，并進(jìn)行水動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)映射，然后才能進(jìn)行有限元強(qiáng)度計(jì)算。再得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，便可進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷度和疲勞譜分析計(jì)算。

3.1 有限元建模

有限元建模與分析計(jì)算基于ANSYS軟件，采用APDL語(yǔ)言，根據(jù)目前工程桁架型立柱式平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，借助一體化集成軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有限元建模、單元?jiǎng)澐帧⒓虞d、求解、結(jié)果輸出等工作。

為了提高結(jié)構(gòu)建模的效率，充分利用參數(shù)化建模的特點(diǎn)，將桁架型立柱式結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分歸類，具有相似特征的結(jié)構(gòu)組合成各類子結(jié)構(gòu)，其中板材為一級(jí)子結(jié)構(gòu)，附著在一級(jí)子結(jié)構(gòu)上的扶強(qiáng)材和桁材為二級(jí)子結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)的循環(huán)處理實(shí)現(xiàn)同類結(jié)構(gòu)的批量建模。例如，硬艙結(jié)構(gòu)分為四類一級(jí)子結(jié)構(gòu)，分別為分層甲板(Deck)、外殼板(Side Shell)、艙壁板(BHD)和中心井(Access Shaft)。對(duì)于每類一級(jí)子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有變化，只有尺寸稍有差異。各子結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)包括板材厚度、長(zhǎng)度、寬度等，均采用數(shù)組的形式存儲(chǔ)，所以只需輸入不同的參數(shù)便可得到不同的結(jié)構(gòu)。一級(jí)子結(jié)構(gòu)建模完成后，調(diào)用二級(jí)子結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)組，在一級(jí)子結(jié)構(gòu)上建立對(duì)應(yīng)的扶強(qiáng)材和桁材模型。軟艙與中段桁架也采用類似的方式建模，再通過(guò)耦合處理完成模型的整合。結(jié)構(gòu)與有限元建模的流程包括參數(shù)讀入、整體幾何模型、加強(qiáng)筋生成、單元?jiǎng)澐趾湍Ｐ吞幚怼Ｆ渲校w幾何模型模塊的功能是根據(jù)輸入的參數(shù)生成一級(jí)子結(jié)構(gòu)；加強(qiáng)筋生成模塊的任務(wù)是根據(jù)參數(shù)在一級(jí)子結(jié)構(gòu)上生成二級(jí)子結(jié)構(gòu)；單元?jiǎng)澐帜K通過(guò)參數(shù)控制將平臺(tái)劃分成高質(zhì)量的四邊形單元；模型處理模塊的功能是對(duì)模型進(jìn)行對(duì)稱、復(fù)制以及合并等操作。

3.2 水動(dòng)力載荷結(jié)構(gòu)映射

參數(shù)化建模模塊的目標(biāo)是得到桁架型立柱式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與有限元模型(見(jiàn)圖1)，同時(shí)基于有限元模型和平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)(如吃水、重量、中心位置、水動(dòng)力等參數(shù))，自動(dòng)產(chǎn)生平臺(tái)的水動(dòng)力模型(見(jiàn)圖2)。本文水動(dòng)力模型不包括中段桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷通過(guò)Morison公式計(jì)算得到，然后直接加載到有限元模型上。

圖1 有限元模型示意圖Fig.1 Diagram of finite element model

圖2 水動(dòng)力模型示意圖Fig.2 Diagram of hydrodynamic model

立柱式平臺(tái)所受載荷可以分為兩類：靜態(tài)載荷與環(huán)境載荷。其中，靜態(tài)載荷包括平臺(tái)重量、壓載重量、作業(yè)載荷和浮力；環(huán)境載荷包括風(fēng)載荷、流載荷以及波浪載荷，其中波浪載荷根據(jù)波浪散布圖的短期海況條件分別計(jì)算。考慮桁架型立柱式平臺(tái)近似軸對(duì)稱，為了簡(jiǎn)化全結(jié)構(gòu)映射計(jì)算量，浪向角僅計(jì)算0°。

水動(dòng)力載荷計(jì)算，使用AQWA軟件讀入水動(dòng)力模型，利用AQWA-LINE根據(jù)勢(shì)流理論計(jì)算出水動(dòng)力模型的波浪力數(shù)據(jù)，最后通過(guò)AQWA-WAVE生成針對(duì)有限元模型的波浪載荷數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)符合ANSYS APDL語(yǔ)言的格式要求。所以在ANSYS軟件平臺(tái)上直接讀入上述波浪載荷數(shù)據(jù)，即可完成水動(dòng)力載荷到有限元模型的波浪力映射。

3.3 有限元建模

在水動(dòng)力載荷加載基礎(chǔ)上，還需同時(shí)加載其他類型載荷，如風(fēng)載荷、流載、自重、浮力等。本文對(duì)風(fēng)速和流速采用百年一遇的海況條件進(jìn)行加載，由于未建上部組塊的模型，風(fēng)載荷等效為均布力與彎矩施加在硬艙頂部，流載荷則以壓力形式加載在對(duì)應(yīng)位置。

3.4 疲勞譜計(jì)算

在有限元分析計(jì)算基礎(chǔ)上，按照上述疲勞分析計(jì)算流程便可計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷度。本文波浪波譜采用JONSWAP譜形式：

(16)

水面以上結(jié)構(gòu)S-N曲線采用ABS的A-E曲線，水下結(jié)構(gòu)S-N曲線采用美國(guó)船級(jí)社(ABS)的CP-E曲線。具體S-N曲線參數(shù)如表2所示。

本文采用挪威船級(jí)社(DNV)世界海域通用波浪散布圖[10]數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞計(jì)算。該波浪散布圖數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 疲勞分析S-N曲線參數(shù)

表3 波浪散布圖數(shù)據(jù)

4 算 例

基于該集成軟件系統(tǒng)，對(duì)某項(xiàng)目桁架型立柱式平臺(tái)進(jìn)行疲勞譜分析計(jì)算。針對(duì)該項(xiàng)目平臺(tái)作用海域條件和設(shè)計(jì)條件，在集成軟件系統(tǒng)中，首先運(yùn)行設(shè)計(jì)子系統(tǒng)獲得該平臺(tái)的主尺度參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表4所示。

模型采用了shell181、beam188、pipe288以及mass21單元類型。彈性殼單元shell181用來(lái)模擬硬艙外壁板、中央井壁板、隔艙壁板、硬艙分層板、垂蕩板、軟艙外壁板以及軟艙隔艙壁板等厚寬比較小的構(gòu)件。梁?jiǎn)卧猙eam188用來(lái)模擬附著在殼單元上的桁材和扶強(qiáng)材。管單元pipe288用來(lái)模擬中段桁架。質(zhì)量單元mass21用來(lái)模擬壓載物，這些單元在結(jié)構(gòu)有加速度的作用下，會(huì)產(chǎn)生慣性力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。

表4 平臺(tái)主尺度

平臺(tái)吃水深度為176 m，靜載工況(見(jiàn)表5)包括結(jié)構(gòu)自重、上部組塊重量、浮力、系泊預(yù)張力、立管荷載以及壓艙力。10 min內(nèi)平均最大風(fēng)速為33.2 m/s。流速分布如表6所示。JONSWAP譜參數(shù)γ=3.3進(jìn)行波浪短期海況計(jì)算，長(zhǎng)期海況分布見(jiàn)表3。

本文假定桁架型立柱式平臺(tái)疲勞設(shè)計(jì)壽命為20年，則結(jié)構(gòu)的疲勞UC值定義為

(17)

式中：Kf為安全系數(shù)，本文取3；Td為設(shè)計(jì)壽命，本文假定為20年；T為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算疲勞壽命。UC=1.0表示該計(jì)算點(diǎn)疲勞壽命剛好滿足設(shè)計(jì)要求，而若UC>1.0 則計(jì)算點(diǎn)疲勞壽命不滿足設(shè)計(jì)要求。

運(yùn)用本文方法，在不考慮平均應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的前提下，對(duì)目標(biāo)桁架型立柱式平臺(tái)進(jìn)行疲勞分析計(jì)算，結(jié)果如表7所示。由于軟艙在各工況下的應(yīng)力響應(yīng)相對(duì)較小，對(duì)應(yīng)的疲勞壽命也比較大。由于個(gè)別單元應(yīng)力異常導(dǎo)致軟艙的最大疲勞UC值達(dá)到0.79，實(shí)際的疲勞UC值遠(yuǎn)小于該值。根據(jù)式(17)進(jìn)行疲勞UC值計(jì)算，典型結(jié)構(gòu)疲勞云圖見(jiàn)圖3～9。從疲勞UC值云圖可以看出，對(duì)于在位工況，桁架型立柱式平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞失效發(fā)生在硬艙與桁架交接處。

為了計(jì)算平均應(yīng)力對(duì)上述疲勞強(qiáng)度的影響，再次對(duì)疲勞危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命按本文式(14)進(jìn)行修訂計(jì)算。由于疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處也是應(yīng)力集中比較明顯的位置，取平均應(yīng)力影響系數(shù)0.12，對(duì)硬艙、桁架、垂蕩板疲勞危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行修訂計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表8所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，考慮平均應(yīng)力的影響，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也大為減少。該方法將更加安全地計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，可以得出海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參考數(shù)據(jù)。

表5 靜態(tài)載荷數(shù)據(jù)

表6 百年一遇的流速

表7 結(jié)構(gòu)疲勞UC值

表8 考慮平均應(yīng)力影響的結(jié)構(gòu)疲勞UC值

圖3 硬艙中心井疲勞UC值Fig.3 Fatigue UC of the central shaft of hard tanks

圖4 硬艙艙壁板疲勞UC值Fig.4 Fatigue UC of the hard tank bulkheads

圖6 硬艙外板疲勞UC值Fig.6 Fatigue UC of the external plates of hard tanks

圖7 桁架整體疲勞UC值Fig.7 Global fatigue UC of the truss

圖8 垂蕩板整體疲勞UC值Fig.8 Global fatigue UC of the heave plates

圖9 軟艙整體疲勞UC值Fig.9 Global fatigue UC of the soft tanks

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于疲勞譜分析理論和Goodman理論，開(kāi)發(fā)了一套海洋結(jié)構(gòu)物的疲勞計(jì)算與壽命預(yù)測(cè)程序，并將該方法應(yīng)用到海洋桁架型立柱式平臺(tái)的疲勞計(jì)算。同時(shí)將該疲勞程序與海洋結(jié)構(gòu)有限元分析程序進(jìn)行無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)桁架型立柱式平臺(tái)有限元建模、水動(dòng)力載荷計(jì)算與結(jié)構(gòu)映射、有限元強(qiáng)度計(jì)算、疲勞計(jì)算的全自動(dòng)耦合。數(shù)值算例顯示，對(duì)于在位工況，桁架型立柱式平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞失效發(fā)生在硬艙與桁架交接處。這為結(jié)構(gòu)局部加固和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供主要的參考。

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SpectrumFatigueAnalysisMethodwithApplicationtotheStructuralAnalysisofSparPlatforms

LI Hua-xiang

(ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China)

Based on the offshore spectrum fatigue theory, this paper is to calculate the fatigue strength and life predication of truss spar platforms. By means of the classical wave spectrum theory and the engineering fatigue theory, a software tool is developed for the spectrum fatigue analysis of structures. Meanwhile, based on the Goodman theory, the effect of mean stresses on fatigue limit is evaluated. The developed software is linked with a finite element analysis tool for offshore structures. Then, the chain work of finite element modeling, hydrodynamic load calculation and mapping to structural models, finite element strength analysis, and fatigue computation is automatically implemented. Numerical examples indicate that for a truss spar platform, the fatigue failure occurs at the stressed places and the intersection of hard tank and truss, which provides an important reference for local structural reinforcement and optimization.

spar platform; spectrum fatigue analysis; Goodman theory; finite element analysis

2016-09-30

上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人項(xiàng)目“深海柱式平臺(tái)基本設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”(15XD1522200)

李華祥(1971—)，男，博士，主要從事海洋浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)與高性能計(jì)算研究。《海洋工程裝備與技術(shù)》編委。

U661.43

A

2095-7297(2016)06-0338-08