
在我国南海深海油气资源开发中,新型半潜式钻井平台由于众多优点将发挥主要作用。由于处在各种恶劣海况和复杂交变载荷作用下,平台结构疲劳破坏是结构失效的重要方面。因此对平台结构的疲劳强度分析是十分必要和关键的。
目前船舶与海洋工程界对海洋平台疲劳有限元分析方法主要有简化疲劳分析方法、谱分析方法以及确定性方法。一般简化疲劳分析方法主要是基于疲劳应力的Weibull分布假设,用经验推荐的形状参数和计算得到的尺度参数代入拟合出该Weibull分布从而进行疲劳计算。谱分析法则是通过计算结构响应,结合波浪谱和波浪概率分布来计算应力长期分布,更为精确和直接,计算量也更大。确定性方法主要基于经验曲线进行疲劳寿命估算,精确性也不及谱分析法。谢文会等对新型半潜平台采用简化疲劳方法进行疲劳分析,并给出该类平台简化疲劳分析参数推荐,结果的准确度需要参照谱分析结果作为验证。游源、唐文勇等采用谱分析法对多柱式Spar平台典型节点的疲劳寿命计算。马网扣等采用谱分析法对北大西洋海域某横向纵向对称结构的深水半潜式平台疲劳寿命分析,计算取四个浪向进行,不包括所有可能的危险浪向。张剑波等依据规范疲劳计算曲线对半潜钻井船的典型节点疲劳强度进行了分析,并不是直接全概率下的疲劳分析。
以中国南海海域某新型深水半潜式钻井平台为目标平台,平台结构形式更为复杂。采用热点应力谱分析法分13个浪向完成了主体结构典型连接节点的疲劳强度分析,结果可以为该类平台的连接节点的详细设计和疲劳强度评估提供参考。这里还分析了各短期海况和不同浪向造成的疲劳损伤度占总损伤度的比例,来反映不同因素对于疲劳损伤的影响,为疲劳损伤对海况和浪向的敏感性研究提供参考。
疲劳计算的关键步骤是要准确得到分析部位的应力长期分布情况。谱分析法的基本思想是直接求解平台遭受的波浪载荷到结构应力的传递函数,结合波浪谱得到各个短期海况下结构应力响应谱,由应力谱的统计特性按照Rayleigh分布得到应力的概率密度曲线。再结合海域的各个短期海况的出现概率分布得到应力的长期分布,然后就可以利用线性累积损伤理论计算节点的疲劳寿命。
疲劳强度谱分析过程主要分为四部分:
1)危险节点的筛选。在总体强度分析的危险应力的基础上,结合结构特点进行筛选。
2)热点应力传递函数和功率谱的获得。对选出的危险点进行网格细化,得到应力集中因子模型,并施加疲劳载荷,按照不同浪向和频率的组合工况进行计算得到应力的传递函数。结合波浪散布图和波浪谱可以得到功率谱密度函数。
3)节点应力的概率分布的确定。在合理假定的应力分布概率类型下,代入功率谱的统计参数得到。
4)疲劳损伤度和疲劳寿命的计算。线性损伤基于应力分布和试验统计曲线计算得到,结合设计寿命和安全因子可以计算得到节点的疲劳损伤度和疲劳寿命。
疲劳应力的选取主要有切口应力、热点应力、名义应力。热点应力指焊趾等热点处的应力,是疲劳分析主要采用的应力。结合船级社规范和国内外众多学者关于焊接结构有限元分析方法计算热点应力的研究成果,这里推荐在局部结构精细的有限元模型分析基础上,采用8节点壳单元,选择离焊缝距离t/2和3t/2(t为板厚)的两个点线性外推得到热点的各应力分量,外推方法如图所示。再根据连续介质力学中应力张量分析计算热点主应力,作为疲劳分析的热点应力。
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