基于 SESAM 軟件的張力腿平臺疲勞強度分析

嵇春艷，郭建廷，吳　帥，陸　韻（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

基于 SESAM 軟件的張力腿平臺疲勞強度分析

嵇春艷，郭建廷，吳帥，陸韻
（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003）

以張力腿平臺為研究對象，建立有限元模型，通過對結構進行總體強度分析，確定疲勞關鍵區域和關鍵點。然后建立關鍵區域的局部模型，對局部模型的網格劃分方法進行研究，利用 SESAM 軟件中的 Sestra 模塊計算應力傳遞函數。最后基于 Stofat 模塊，采用線性外推法得到疲勞關鍵點處的熱點應力，根據 S-N 曲線，計算出結構的疲勞壽命。結果表明，張力腿平臺的疲勞強度滿足設計壽命要求。

張力腿平臺；疲勞強度；有限元

0　引　言

隨著陸地石油資源的不斷減少，人們把目光轉移到海洋。近年來，海洋石油的開發和利用越來越頻繁，而且逐漸從淺水向深水發展［1］。張力腿平臺是一種適用于深水的海洋平臺，因此對張力腿平臺進行探索和研究成為熱點［2］。

張力腿平臺與其他平臺相比，具有諸多優勢［3］。首先，受張力筋腱的影響，當平臺處于平衡位置時，垂蕩非常小，在風浪等載荷的作用下，移動相對較小，平臺安全穩定；其次，張力腿平臺在采油時，不需要輔助鉆井船，降低了生產成本；而且張力腿平臺既適用于幾百米的淺水，也適用于上千米的深水甚至是超深水，既適用于小型油田，又適用于大規模的區塊油田。但張力腿平臺在運營過程中會因為種種原因毀壞，其中疲勞破壞是最常見的原因之一［4］。而結構的疲勞破壞會對海洋石油的開采、工作人員的安全及海洋環境都會產生影響。因此，為保證張力腿平臺的安全性，并使其經濟效益最大化，對張力腿平臺進行疲勞壽命預報，疲勞強度分析與校核就顯得尤為重要［5-7］。

目前，對于張力腿平臺，研究總體強度和耦合運動響應的比較多［8］；而對于張力腿平臺的疲勞問題，其研究對象大多是系泊系統［9］，對張力腿平臺主體結構的疲勞強度研究較少。本文利用 SESAM 軟件，對張力腿平臺主體結構進行疲勞強度分析，并在分析過程中，研究關鍵節點有限元模型的劃分方法，總結網格劃分過程中的經驗。

1　疲勞分析的譜分析法

譜分析法是海洋平臺疲勞強度分析過程中比較常用的分析方法，中心思想是首先求解出海洋平臺受到的波浪載荷，然后通過解析方法得到結構的波浪力譜，最后施加到海洋平臺上，得到結構應力響應譜［10］；也可通過數值分析方法，直接獲得海洋平臺的應力響應譜，然后結合結構響應譜的統計特性、應力響應的分布特性及 Miner 累積損傷理論來預報海洋平臺的疲勞壽命。采用譜分析法計算結構疲勞壽命的具體過程如下：

1）計算應力傳遞函數和應力響應譜

假設波浪是一個平穩的隨機過程，經過變換得到的交變應力也是一個平穩的隨機過程，由隨機過程理論，上述 2 個平穩隨機過程的功率譜密度之間有下列關系：

2）計算應力響應譜的 n 階譜矩

式中：mn為應力響應譜的 n 階矩；σ 為短期瑞利分布的均方差；TZ為波浪平均跨零周期。

3）求應力響應短期分布概率密度函數

假定各個短期海況應力響應分布若符合 Rayleigh分布，概率密度函數形式如下：

4）計算某一短期海況的疲勞損傷

波浪載荷是隨機載荷，其在結構內引起的交變應力也是一隨機過程，因此結構在某浪向、某短期海況作用下的疲勞累積損傷度可用下式表示：

式中：NL為在所考慮的整個設計期內應力范圍的總循環次數；A和m 為 S-N 曲線的參數。

5）計算總的疲勞損傷值

考慮各個浪向的概率以及該浪向下的各短期海況，可以計算得到總的疲勞累積損傷為：

式中：n 為短期海況的個數；k 為浪向的個數；ps， i為某一海況 i 的發生概率；pd， j為某一浪向 j 的分布概率；dij為在某一海況、某一浪向下的疲勞損傷度。

2　張力腿平臺疲勞壽命分析

2.1有限元模型的建立

張力腿平臺主要由下浮體、立柱及上部甲板組成，采用 SESAM 軟件的 GeniE 模塊建立有限元模型，如圖1 所示，平臺主尺度信息如表1 所示。

在建立整體有限元模型的過程中，采用 2 m 的網格密度，由板單元、梁單元和質量塊組成，共有 34 588個節點和 48 058 個單元。

圖1　有限元模型Fig. 1　Finite element model

表1　主尺度信息Tab. 1　Information of main scale

2.2疲勞關鍵節點的選取

研究表明，疲勞破壞往往發生在結構的不連續處和應力集中的焊接節點處，對張力腿平臺所有可能發生疲勞破壞的區域進行疲勞強度分析的工作量大，可行性差。比較合理的做法是：根據總體強度分析結果來篩選關鍵區域，在此過程中，要重點關注對總體強度影響較大的不連續處的焊接節點［11］。

本文通過 SESAM 的 Wadam 模塊對張力腿平臺進行水動力分析，得到一階波浪力、附加質量和附加阻尼等水動力基本參數，然后通過 SESAM 的 Sestra 模塊對張力腿平臺進行總體強度分析，總體強度分析結果如圖2 所示，圖3 和圖4 分別為張力腿平臺所受的靜水壓力示意圖和波浪載荷示意圖。

從圖2 可看出，此張力腿平臺整體應力分布均勻合理，在立柱與下浮體連接處和立柱與上甲板連接處的應力比較大，圖5 和圖6 分別為這兩處的局部放大圖，而且這兩處恰恰是結構不連續處的焊接節點。因此疲勞關鍵區域選為立柱與下浮體連接處和立柱與上甲板連接處。確定疲勞關鍵區域后，疲勞關鍵節點的坐標也隨之確定，如表2 所示。

圖2　總體強度分析Fig. 2　Analysis of overall strength

圖3　靜水壓力示意圖Fig. 3　Diagram of hydrostatic pressure

圖4　波浪載荷示意圖Fig. 4　Diagram of wave load

圖5　立柱與下浮體連接處Fig. 5　Connection of column and pontoon

圖6　立柱與甲板連接處Fig. 6　Connection of column and deck

2.3關鍵節點有限元模型的劃分方法和疲勞載荷計算

如圖2 所示，把立柱與下浮體連接處定為關鍵節點 1，立柱與上甲板連接處定為關鍵節點 2，通過GeniE 模塊建立關鍵節點的有限元模型，網格劃分后的模型如圖7 和圖9 所示。

根據局部模型邊界節點的坐標，在整體模型中取出相應位置節點的位移，作為局部模型的邊界條件，利用 SESAM 的 Submod 模塊，將總體強度模型中節點的狀態傳遞給子模型。因此，在局部有限元模型網格劃分時，特別注意邊界處網格單元的大小和位置應與整體模型完全一致。

利用 SESAM 軟件對網格進行劃分的過程中，如果處理的不恰當，在不同網格密度的過渡區域會出現畸形網格，這樣將無法進行疲勞動載荷的計算，也就無法對熱點進行疲勞分析，因此要花費很多時間來調整網格密度的大小和不同網格密度板的大小。有時對于個別出現畸形網格的地方，通過插入 Feature edge 來調整局部網格。

表2　疲勞關鍵節點坐標Tab. 2　Coordinate of fatigue critical node

在網格劃分過程中，網格要實現平穩過渡，且要求疲勞熱點部位的網格大小為 t×t，其中 t 為疲勞關鍵節點處的板厚。在實際劃分網格的過程中，用的網格密度為 0.03 m，0.1 m，0.5 m，1 m 和 2 m，從里向外逐漸增大，熱點區域的網格密度約為板厚 0.03 m，這樣算出來的熱點應力更為準確，圖8 為立柱與下浮體連接處密度為 0.03 m 的有限元模型，圖10 為立柱與甲板連接處密度為 0.03 的有限元模型。邊界區域的網格密度為 2 m，這是因為總體模型中的網格密度為 2 m，在獲取子模型的邊界條件時，邊界上的節點可以吻合。

在 Wadam 中進行水動力分析時，環境參數為：浪向角為 180°～270°，間隔 10°，等概率分布；周期為 2～32 s，間隔 2 s；海浪譜采用 Pierson Moskowitz（P-M）譜，根據中國南海海浪長期資料，可得到此海域波浪參數的統計值如表3 所示。

2.4疲勞壽命預報

通過 Wadam 進行水動力分析，然后 Sestra 計算關鍵節點的應力傳遞函數，最后導入 Stofat 進行疲勞壽命預報。

Stofat 在計算熱點應力時，根據 ABS 規范［12］采用外推法。S-N 曲線的選取，同樣根據 ABS 規范。對于非管節點結構，在計算結構的疲勞壽命時，采用 E 曲線；關鍵節點 1（立柱與下浮體連接處）在海水中，所以采用 ABS-E-CP 曲線；關鍵節點 2（立柱與上甲板連接處）暴露在空氣中，所以采用 ABS-E-A 曲線。它們的參數如表4 所示。

本文張力腿平臺的疲勞設計壽命為 20 年，根據ABS 規范［12］，疲勞安全因子應分別取為 3，最后通過Stofat 計算出關鍵節點處的疲勞壽命如表5 所示。

表3　南海海況統計資料Tab. 3　Statistics of the South China Sea

表4　S-N 曲線參數Tab. 4　Parameter of S-N curve

表5　關鍵節點疲勞壽命結果Tab. 5　Fatigue life of critical node

3　結　語

海洋平臺結構疲勞強度評估是平臺結構安全評估的重要內容之一。本文應用 SESAM 軟件，對一張力腿平臺關鍵部位進行了疲勞強度研究，其主要結論如下：

1）通過對張力腿平臺的總體強度分析，獲得了平臺容易產生疲勞破壞的 2 個關鍵節點，分別為立柱與下浮體連接處和立柱與甲板連接處。

2）利用 SESAM 軟件對結構的疲勞強度進行分析的過程中，特別要注意關鍵節點有限元模型的網格劃分，建議采用多梯度平穩過渡的方法，這樣可以避免畸形網格的產生，從而使疲勞關鍵節點的應力更加準確。應該在局部模型的邊界處設置與整體模型中相同的網格密度，并且局部模型的邊界應在艙壁、T型材和加強筋處，這樣與整體模型中的網格能夠吻合，從而使局部模型獲得更加精確的邊界條件。

3）對關鍵節點進行疲勞壽命分析結果表明，立柱與下浮體連接處的疲勞壽命為 62.7 年；立柱與甲板連接處的疲勞壽命為 148 年。本平臺的設計壽命是 20年，安全因子為 3，疲勞壽命預報結果表明關鍵節點滿足設計要求。相比較而言，立柱與下浮體連接處的疲勞損傷度大，疲勞壽命短，而且該位置處于海水中，如果發生疲勞破壞不易被發現，因此應進行定期的檢查和維護。

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Fatigue strength analysis of tension leg platform based on SESAM

JI Chun-yan， GUO Jian-ting， WU Shuai， LU Yun
（School of Naval Architecture and Offshore Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

The finite element model was made taking the tension leg platform as the research object. The key area of the fatigue and the key points' coordinates of the fatigue were determined through overall strength analysis. Then the local model of the key area was made. The approach of dividing grids was researched about the local model. The stress transfer function was calculated through using Sestra module in SESAM. In the end， based on the Stofat module， using the linear extrapolation， the stress of the key fatigue points was obtained. According to the S-N curve， the fatigue life of tension leg platform was calculated. The results show that the fatigue strength of tension leg platform meets the requirements of the design life.

tension leg platform；fatigue strength；finite element

P751

A

1672-7619（2016）05-0039-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.009

2015-10-27；

2015-11-30

國家自然科學青年基金資助項目（51409129）

嵇春艷（1976-），女，教授，研究方向為船舶與海洋結構物的力學性能、動力性能及減振方法。