基于時域分析方法的平臺結(jié)構(gòu)疲勞強度分析

韓元吉 王浩煜 秦 勉 岳 題 黃 山

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都610241）

0 引言

21世紀被認為是海洋的世紀，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，是一個國家海洋裝備制造能力的重要標志。

海洋平臺往往是高出海平面的一種海洋工程結(jié)構(gòu)物，能夠為鉆井、采油、集運、觀測、導航、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行作業(yè)，會常年受到風載荷、波浪載荷等交變載荷作用，很容易發(fā)生疲勞破壞，進而導致整個平臺的坍塌。同時，海洋平臺作業(yè)地點往往地處近海，救援很不方便，一旦發(fā)生破壞，將會導致重大經(jīng)濟損失和人員傷亡，嚴重污染海洋環(huán)境，因此，對海洋平臺進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)和機械失效的主要原因之一，是由于結(jié)構(gòu)上的某點或者某些點在擾動應(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

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

圖1 導管架平臺

1.2 研究方法

本文首先進行了導管架平臺靜力學分析、模態(tài)分析，在此基礎(chǔ)上進行波浪載荷作用下的導管架平臺瞬態(tài)動力學分析，獲得了危險點處的應(yīng)力-時間歷程；其次運用雨流計數(shù)法對應(yīng)力-時間歷程進行統(tǒng)計，提取應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)；最后基于S-N曲線，應(yīng)用線性累計損傷理論機構(gòu)的累計損傷值，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，建立導管架平臺有限元模型，各部分單元選擇如表1所示。整個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跟主導管下端施加固定約束，有限元模型如圖3所示。

表1 導管架平臺各部分單元類型和實常數(shù)

圖3 導管架平臺有限元模型

2.2 模態(tài)分析

為分析結(jié)構(gòu)的動力特征，采用Block Lanczos方法對導管架平臺進行模態(tài)分析，計算得到導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 導管架平臺前六階固有頻率

圖4 導管架平臺前六階振型

2.3 靜力學分析

采用5階stokes模擬波浪載荷，波浪參數(shù)如表3。在進行靜力學分析前，首先進行波流耦合分析，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，波流耦合力最大，為4 912 kN，以此作為靜力學分析的輸入，進行導管架平臺靜力學分析，導管架平臺應(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 靜力學響應(yīng)云圖

2.4 瞬態(tài)動力學分析

有靜力學計算結(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)動力學相應(yīng)分析，該節(jié)點在0～100 s的應(yīng)力-時間歷程如圖7所示。

圖7 柱腿底部節(jié)點應(yīng)力-時間歷程曲線

3 疲勞計算

3.1 雨流計數(shù)法

雨流計數(shù)規(guī)則如下[5]：

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

（2）雨流從實驗記錄的起點和依次從峰谷值的內(nèi)側(cè)開始；

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

（4）當雨流遇到前面流下來的雨時，就停止流動；

（5）提取出全循環(huán)，統(tǒng)計應(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2后，豎直下流，經(jīng)過點3和點4中間的2’點，然后流到4點，豎直下流到5點對面停止。（5點是第一個比1點更負的值）；同理，雨滴從點2開始流，在第一個比2點更大的點4的對面停止；雨滴從3點開始流，遇到從1點流下來的雨滴點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編寫雨流計數(shù)法統(tǒng)計程序。

3.2 疲勞壽命估算

選取導管架平臺柱腿低端處0～30 min內(nèi)的應(yīng)力時間歷程曲線，進行雨流計數(shù)法統(tǒng)計，統(tǒng)計該時間段內(nèi)的應(yīng)力幅值和平均值，采用Goodman經(jīng)驗公式進行等損傷轉(zhuǎn)換，統(tǒng)計計算結(jié)果如表4所示：

表4 導管架平臺疲勞損傷估算

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

4 結(jié)論

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