基于Kriging模型抗冰海洋平台管节点疲劳可靠性研究

宋晓杰, 黄 一, 张 崎

(1.大连理工大学,大连 116011;2.大连理工大学船舶工程学院,大连 116023)

基于Kriging模型抗冰海洋平台管节点疲劳可靠性研究

宋晓杰1, 黄 一2, 张 崎2

(1.大连理工大学,大连 116011;2.大连理工大学船舶工程学院,大连 116023)

以渤海冰情和冰荷载现场观测数据为基础,建立JZ20-2NW海域锥体模型冰力谱。同时利用谱分析方法,对该平台进行冰激疲劳分析。并结合冰疲劳环境荷载及冰力谱函数,提出了相对于冰速、冰厚随机冰载的管节点热点应力幅的近似计算方法——Kriging插值方法。结果表明,Kriging插值方法及疲劳可靠性分析方法合理有效。

导管架平台;冰激振动;谱分析;疲劳可靠性;Kriging模型

Abstract:The ice-force spectrum of pyramidal model for J Z20-2NW platform in its sea area is established based on ice conditions in the Bohai and the observational field data of ice load.At the same time,the ice-induced fatigue of platform is analyzed with spectrum analysis method.According to the ice fatigue load environment and the ice-force spectrum function,this paper puts forward an approximate calculation method of the tubular joints’hot spot stress range relative to ice velocity and thickness of stochastic ice load,which called Kriging interpolation.The results show that the Kriging interpolation and the analysis method of fatigue reliability are reasonable and effective.

Key words:jacket platform;ice-induced vibration;spectrum analysis;fatigue reliability;Kriging model

0 引言

海洋平台是一种海洋工程结构物,它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。

高纬度海域海冰对结构作用是结构设计和安全运营时需要考虑的重要因素。目前,渤海海洋平台在交变冰力作用下平台动力响应引起的管节点疲劳等问题越来越突出。有事实表明[2,3],只要有少数几个管节点发生疲劳破坏就可能导致整个平台的破坏。

本文基于疲劳可靠性分析方法,力求考虑更多的不确定影响因素,以对导管架平台在疲劳方面的安全性作出比确定性方法更加合理的评估。

1 随机冰载作用下海洋平台管节点的热点应力计算

1.1 频域法确定热点应力幅值

频域法亦称谱疲劳分析方法[5,6],考虑荷载随机特性采用统计理论表述工况。假定冰载荷在短时间内是各态历经、窄带平稳的正态过程,根据应力循环转换的观点,结构的应力分布为窄带随机正态过程,其峰值服从瑞利分布。

岳前进等利用多年累积的冰力数据,对冰力进行谱分析工作,得到锥体冰力谱函数[1]:

1.2 相对冰速、冰厚随机冰载的热点应力幅

由式(1)可看出,冰力谱函数与冰速、冰厚有关[7,8],而冰速、冰厚在冰期内是随机变化的。要进行随机荷载下的海洋平台疲劳可靠性分析,需要计算大量冰况组合下的管节点热点应力幅,但计算量很大。因此,本文提出基于 Kriging方法近似计算热点应力幅[10,11]:(1)选择一系列有代表性的冰厚和冰速冰况组合,对海洋平台进行谱分析,计算出相对应的热点应力幅;(2)根据已知的样本点信息建立无偏的 Kriging模型;(3)利用 Kiging模型插值计算整个疲劳环境的热点应力幅值。

2 冰振下海洋平台管节点疲劳可靠性分析[7,8]

疲劳可靠性分析的最终目的是要从概率的角度对结构的疲劳寿命进行预测,从而对结构在疲劳方面的安全性作出评估[5]。海洋平台管节点疲劳安全性的度量是计算所得的疲劳寿命 Tf大于等于设计寿命TD的概率,即 Pr=P(Tf≥TD)。对于船舶及海洋工程结构,设计寿命通常取为20年或25年。

2.1 海洋平台疲劳寿命计算

疲劳寿命分析计算采用累积损伤模型,其以S-N曲线和Miner法则作为基础[9]。在船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析中应用最为广泛的是Wirsching模型[12,13]。

对比手术病理证明结果与MR检查结果，计算诊断正确率、良性诊断符合率以及良恶性鉴别准确率，并对不同病变性质的信号特征进行总结。

疲劳累积损伤: D=NTE(Sm)/A(2)式中 NT为环循环次数总和。

设Sa为构件的应力幅,S为计算得到的应力幅,则有式中B是应力计算误差因子,属于随机变量。

定义应力循环的平均频率: f0=NT/T(4)

则有 D=TBmΩ/A (5)

这里定义Ω为应力参数,并且

不同的计算模型,对应着不同的Ω。

可得到疲劳寿命为 T=ΔA/(BmΩ)(7)

2.2 结构疲劳可靠度计算的对数正态格式

由上(7)式知疲劳寿命:T=ΔA/(BmΩ)

由于Δ、K、B是随机变量,T也是随机变量,疲劳失效概率为

式中:σlnT为lnT的标准偏差;为 T的平均值;TD为设计寿命。

应用对数正态分布法,即假定每一随机变量服从对数正态分布。根据对数正态分布的特性,则有:(10)

式中Ci为变量的变异系数。

3 J Z20-2NW平台管节点疲劳可靠性分析

以渤海石油公司J Z20-2NW平台为例,在疲劳环境中取一个45°的冰力方向,在冰速0～100 cm/s范围内,平均选取41种冰速;在冰厚0～45 cm范围内,平均选取41种冰厚。S-N曲线采用A PI-X曲线。相关数据参考相关文献[5～9]。

选取有代表性的300种工况,利用ANSYS软件对海洋平台结构进行谱分析,最大节点应力均出现在两个斜撑的交叉处,计算出对应的热点应力幅值S。

根据上述建立的 Kriging模型计算待测点的响应。在此过程中实现了MATLAB软件与ANSYS软件的互相调用,共插值得到1 681种组合工况的结果。

程序运行结果如图1所示。

为了验证插值近似热点应力计算的精度,在冰速为0～100 cm/s、冰厚为0～45 cm范围内,每间隔3.4 cm取一种冰厚,共13种冰厚;每间隔7.7 cm/s取一种冰速,共13种冰速,共有169种组合工况。

依据得到的结果统计得出:在给定的冰况条件下,Kriging插值计算得到的近似结果与ANSYS谱分析得到的计算结果基本吻合,二者误差小于1%,且随着冰厚的增加,误差远低于1%。

李刚等提出的二次项拟合的近似计算热点应力幅值的方法得到的误差为4%。

在运算时间方面,在同一个计算机上,运行编制的ANSYS谱分析程序,完成一种工况计算需要10分钟。而运行编制的基于Matlab的 Kriging插值程序,几秒钟即可完成所有工况计算。

根据上述情况,现用对数正态格式对J Z20-2NW平台管节点的疲劳寿命进行可靠性预测。

设在每一工况中应力范围的短期分布采用Rayleigh分布模型,规定的设计寿命为 TD=20年。S-N曲线采用A PI-X曲线。

随机变量Δ和B的中值和变异系数等有关数据分别为

首先计算应力参数Ω。

图1 近似计算得到的热点应力

4 结论

本文结合现有的冰疲劳环境荷载及冰力谱函数,建立了相对于冰速、冰厚随机冰载的等效应力幅值的计算方法,并利用对数正态格式计算了平台结构的疲劳可靠性。本文提出的基于 Kriging模型的插值热点应力的近似计算方法在保证精度的情况下,大大提高了计算效率,有明显的优越性。且非线性关系越显著,此种方法的优越性越明显,较一般的单一设计冰厚的计算方法更加精确。该方法不仅可用于构件,也可用于海洋平台系统整体的疲劳可靠性计算,从上述结果可看出,J Z20-2NW平台有较高的可靠度。

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Study on Fatigue Reliability Analysis of Tubular Joints for Ice-Resistant Offshore Platform Based on Kriging Model

SONG Xiao-jie1, HUANG Yi2, ZHANG Qi2
(1.Department of Continuing Education,Dalian University of Technology,Dalian 116011,China;2.Department of Naval Architecture,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

O346.5

A

1001-4500(2010)01-0032-04

2009-03-23; 修改稿收到日期:2009-09-30

宋晓杰(1983-),女,硕士生,从事船舶与海洋工程结构分析。