基于譜分析法的海洋工程結構強度評估方法研究

錢笠君

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

基于譜分析法的海洋工程結構強度評估方法研究

錢笠君

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

隨著海洋工程的發展，現有的結構分析方法越來越不適用于不斷出現的新型式結構物強度分析。文章基于水動力理論及譜分析基本理論，提出基于譜分析法的海洋工程結構強度評估方法；借助有限元分析方法，以某型鉆井船為例進行結構應力計算，以說明該方法不僅在理論上可行，同樣具有較強的可操作性及實用型，從而對于日后海洋工程結構強度的評估提供另外一條新的途徑。

譜分析；海洋工程；結構強度；評估方法

引 言

近年來，隨著陸地資源日漸枯竭，人類社會日益重視對海洋的開發與利用，如海洋油氣開發、海洋礦物采掘、海上核能等，這些海洋工程活動都需要以海洋工程結構物作為作業平臺，而隨著這些功能的多樣化，傳統的船型浮式海洋結構物已無法滿足各種各樣海洋開發的需求，海洋工程結構物也以各種各樣的形態展現出來，如圓筒式、柱穩式及立方體式等。

對于船體結構評估而言，現行規范體系經多年船型結構研究的經驗積累，特別適用于船型浮式結構物，對于新出現的浮式海洋結構物而言，其評估的思路則不一定適用，而不得不采用新的方法。

以柱穩式半潛平臺為例，現行相并規范［1］推薦及通用的結構強度研究方法為確定性方法或者特征波法（設計波法）［2-4］，從統計意義上，在隨機波浪系列中選取某一特征波作為單一規則波近似分析隨機波浪對平臺結構的作用［5-6］，現行相并規范推薦的特征載荷工況［7］有：橫向分離狀態、扭矩狀態、縱向剪切狀態、上船體處縱向加速度狀態、上船體處橫向加速度狀態、最大垂向彎曲狀態等。這種有限枚舉特征工況的分析方法對于平臺整體及局部強度而言，理論上存在沒有枚舉到的危險工況，從而導致結構在實際使用過程中失效或損壞。對此，上海交通大學的嚴文軍等人［8］對于波浪工況作過較為深入的研究，總結了存在若干工況并未包括在規范推薦的特征波工況內。這對于平臺而言無疑是危險的，而且在理論上存在更為危險的其他工況。

對于工程經驗較為豐富的半潛式平臺尚且如此，對于形狀更為新穎的海洋工程結構物，其特征波的確定則更無從下手，其結構的安全性肯定無法保證。

本文基于譜分析的思路，區別于確定性方法，論述采用譜分析法去確定結構在給定概率水平及環境條件作用下產生的結構應力，并且以某型鉆井船為例說明該計算方法的可行性，本研究成果可以拓展為普遍的研究方法，并不僅限于單一船型的結構強度評估，從而可以作為海洋工程結構強度評估方法的一種補充或者替代。

1 譜分析法基本原理

基于譜分析法的結構強度計算原理為：認為整個結構受力是一個平穩的線性系統，由已知的海浪譜推求出作用于結構物上的應力譜，從而確定不同累積概率的結構應力的方法，利用譜密度的變換，即輸出的結構應力隨機函數的譜密度等于輸入的波浪的隨機函數的譜密度乘以相應頻率下結構系統的傳遞函數，通過對結構應力隨機函數求取指定概率下的極值得出結構應力長期預報值以用于評估結構物的結構強度。其強度評估過程見圖1。

1.1 結構應力傳遞函數計算

1.2 確定波浪譜

海浪譜是描述海浪的有效手段，表征一段時間內海浪的能量分布。通過將全船結構應力傳遞函數與海浪譜疊加組合可獲得結構應力的短期響應。用于工程實踐的波浪譜有：勞曼譜、P-M譜、ISSC譜、勃氏譜、光易型譜、規范譜和JONSWAP譜。在描述海浪時，一般從上述波浪譜中選取與實際海域海情最為接近的海浪譜，確定各種波譜的特征參數，通過參數化海浪譜來描述波浪。

1.3 結構應力能量譜計算

按式（1）將作業海域波浪譜結合結構應力傳遞函數計算得出結構應力響應能量譜：

1.4 短期概率密度函數計算

由于短期海況符合Rayleigh分布，所以短期概率密度函數分布形式按式（2）計算：

式中：σ2=m0。

m0為短期海況0階譜矩，短期海況第n階譜矩mn可按式（3）進行計算：

1.5 確定波浪散布圖及浪向概率

波浪譜是用于描述短期波浪的能量，但一片海域內的海情較為復雜，由于氣象條件的變化，不同時間內存在不同的能量分布的海浪，而波浪散布圖就是用來描述長期時間內，各種不同短期海情出現的次數或者概率。根據作業海域獲取正確的當地波浪散布圖，對于計算結果的正確性至并重要。由于地理位置的并系，每一海域的波浪方向出現的次數也存在差異，該方向在應力長期統計結果中的權重就相應增大。因此，要根據水文資料中波浪出現的次數來計算作業海域中波浪浪向出現的概率。

1.6 長期概率密度函數計算

長期統計結果可作為一系列短期平穩隨機過程的組合進行處理，故長期概率密度函數可由若干短期概率密度函數以其出現概率為權與其相乘后的和求得，長期統計概率密度函數可按式（4）計算：

1.7 結構應力長期統計值計算

根據給定的設計超越概率，采用二參數的Weibull分布來擬合船體運動和載荷的長期響應分布：

式中：q為尺度參數，h為形狀參數。對應于響應值y，其超越概率水平為：

從而獲得指定超越概率水平的結構應力響應的長期統計值。

1.8 校 核

結構應力計算完畢之后，根據相并規范對計算結果進行校核，通過校核判斷結構強度是否滿足要求。

2 計算示例

根據以上理論方法，本文選取某型鉆井船作業工況為計算對象，利用DNV-GLsESAME Package 軟件作為計算工具，以說明上述原理在工程實踐中具有可操作性。

該船主尺度及相并參數參見表1。

表1 主尺度及相關參數m

采用板單元建立平臺的水動力濕表面模型；采用板單元及梁單元建立結構模型，并在結構模型上施加邊界條件；建立質量模型，質量模型與結構模型是同一個模型以確保慣性載荷一致。結構模型見圖2。

2.1 結構應力傳遞函數計算

針對鉆井船的特性選取若干單位波幅的規則波：規則波周期范圍取3～34s，間隔1s，共30個；規則波的浪向取全浪向，浪向間隔為15°，共24個。兩相組合，共720個單位波幅的規則波。利用濕表面模型與質量模型計算上述單位波幅規則波引起的波浪載荷，并將上述單位波幅規則波的波浪載荷加載到結構模型上，得出結構模型的全船所有節點上的Von-Mises等效應力傳遞函數。

2.2 波浪譜

根據作業地點的實際環境條件，確定該鉆井船的海情，海浪譜定義為P-M譜。

2.3 短期概率密度函數計算

根據式（1）將結構應力傳遞函數疊加P-M譜；根據式（3）計算短期應力相應的譜距m0及m2；根據式（2）計算短期概率密度函數。

2.4 確定長期波浪散布圖及浪向概率

根據作業地點的海洋水文信息，波浪散布圖選取為全球散布圖（W-W）。由于作業區塊不存在明顯的主控浪向，各方向來流均等，浪向概率定義為各向等概率。

2.5 長期極值計算

根據式（4），通過短期概率密度函數、全球波浪散布圖及浪向概率計算長期概率密度函數，指定超越概率水平為10-8，根據式（5）計算出該鉆井船應力長期極值，這樣計算求得的值就是該平臺在10-8超越概率水平下的結構應力。以本船主甲板為例，其10-8超越概率水平下的Von-Mises等效應力（Equivalent stress）如圖3所示。

2.6 校 核

將上述結構應力極值與相應規范的許用應力進行比較，以確定結構強度是否滿足規范要求。以上述主甲板為例，剔除一些受邊界條件影響的單元之后，主甲板面應力水平基本處于規范的許用范圍以內，而且整個主甲板面上的應力分布主要是船舯區域較高，往首尾依次遞減，符合常規船型的受力特點。

3 結 論

本文首先論述基于譜分析法的結構應力計算原理，隨后以某鉆井船為例，將之前的原理付諸實踐，采用譜分析方法對鉆井船結構等效應力進行計算，研究結果表明：

（1）基于譜分析的結構強度計算方法具有可操作性及實用性，適用于海洋工程結構物的結構強度評估。

（2）從計算過程中可見，譜分析法不需要人為確定特征載荷，通過計算機進行數值計算，結合環境條件得出基于指定概率的統計極值，與確定性方法相比而言更為簡單直接，減少因人為介入而產生忽略某一工況，最終導致結構強度與實際情況不相匹配的情況。

（3）由于不需要人為設定特征波，譜分析結構強度分析方法并不局限于特定船型的結構強度評估，該方法同樣可應用于其余海洋工程的結構強度評估上。對于任意形狀的海洋工程結構物，只需要獲得結構應力的傳遞函數及環境條件，即可得出該結構的長期應力統計極值，因此可以作為現今結構評估手段的一種補充或者替代。對于新型結構物，其實用性較確定性方法更強。

（4）確定性方法給出特征波是鑒于該特征波浪對于整體結構而言較為危險，然而該特征波浪對于一些局部并鍵區域結構構件（如并鍵區域過渡肘板等）卻不一定是主控工況，這樣會導致一些局部并鍵構件由于沒有充分考慮到危險工況而導致結構破壞。譜分析法的計算結果則是全船任意位置的長期應力極值。對于局部區域構件而言，計算結果考慮到作業海域環境條件之后的統計極值，從理論上來說對于局部構件的結構強度評估更為嚴謹。

（5）根據式（1）及式（4）所示，譜分析法強度評估方法的核心技術為選取正確適用的波浪理論計算出準確的結構應力傳遞函數以及對于環境條件的確定。由于波浪理論的發展已經較為成熟，而環境條件的確定因觀測條件所限，因此會導致數據較少以及一些極值數據缺失，而只能依靠統計理論進行外插得出。不過，從這一點而言，確定性方法中波浪載荷的計算同樣會遇到類似問題，于是環境條件的準確與否，對于結果的影響無疑是相當大的。譜分析法強度評估方法必須基于準確的作業地點的水文波浪信息，否則反而會對結構設計產生誤導。

以上計算思路可供其他海洋工程項目強度評估時借鑒。

［1］ DNV. Column-stabilized Units［S］. 2005.

［2］ 白艷彬， 劉俊， 薛鴻祥， 等.深水半潛式鉆井平臺總體強度分析［J］.中國海洋平臺，2010（2）：22-27.

［3］ 梁園華，鄭云龍，等. BINGO 9000 半潛式鉆井平臺結構強度分析［J ］ . 中國海洋平臺，2001 （526） ：21-26.

［4］ 張朝陽， 劉俊， 白艷彬， 等. 深水半潛平臺波浪載荷計算的設計波方法研究［J］. 中國海洋平臺， 2012（5）：34-40.

［5］ 張海彬，沈志平，李小平. 深水半潛式鉆井平臺波浪載荷預報與結構強度評估［J ］ . 船舶，2007（2） ：33-38.

［6］ 董寶輝， 高定全， 羊字軍， 等. 半潛式平臺整體強度分析［J］. 中國造船， 2012（Z2）： 211-216.

［7］ ABS. Rules for Building and Classing mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［8］ 嚴文軍，劉俊，半潛平臺總體強度計算中的波浪工況研究［J］.船舶工程，2014（4）：108-111.

Spectral-based strength assessment of ocean engineering structure

QIAN Li-jun
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

With the development of the ocean engineering, the current structural analysis methods are becoming more and more difficult to analyze the strength of the new types of the constantly emerging structure. The spectral based strength assessment of the ocean engineering structure is proposed based on the hydrodynamic theory and the basic spectral analysis theory. The structures tress of a drill ship is calculated together with the Finite Element method to demonstrate that the proposed method is not only theoretically feasible but also operational and practical. It can provide a new approach for the strength assessment of the ocean engineering structure.

spectral analysis; ocean engineering;structure strength; assessment method

U661.43

A

1001-9855（2017）05-0038-05

第七代超深水鉆井平臺（船）創新專項（工信部聯裝［2016］24號）。

2017-04-01；

2017-04-17

錢笠君（1987-），男，工程師。研究方向：結構設計。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.038