导管架非节点有限元简化疲劳分析方法

包清华，冯 珩

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）

导管架非节点有限元简化疲劳分析方法

包清华，冯 珩

（中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028）

文章以一座已投入使用的导管架平台裙桩套筒的设计为例，详细介绍了复杂非管节点裙装套筒结构的简化疲劳分析方法：首先采用SACS程序对导管架平台在波浪荷载作用下进行结构整体分析，选取简化有限元疲劳分析中所需的荷载工况组、荷载和边界条件，然后应用ALGOR程序建立裙桩套筒的有限元模型，施加荷载和边界条件，并对应力分析输出结果进行后处理得到疲劳分析结果。这种简化疲劳分析方法及其分析结果得到了挪威船级社 （DNV）的认可，对导管架平台非管节点，特别是对适度水深和深水导管架的裙桩套筒的疲劳设计具有参考意义。

海上导管架；裙桩套筒；有限元；疲劳评估

0 引言

海上导管架在大量波浪荷载往复作用下，即使所产生的名义应力较小，也会引起疲劳损伤。对于导管架典型节点，如T、Y、K、TK，双面T和X型等节点，相关规范给出了用于计算节点焊缝的应力集中系数的计算公式，应用海洋工程结构专业分析软件如SACS对这些典型节点的应力集中系数进行设定，从而可以通过软件计算出典型管节点的应力，进而可以直接采用SACS等海洋工程结构专业软件对其进行疲劳评估。因此可以看出，对于典型管节点疲劳特性的评估，通常采用软件直接进行计算分析；而对于复杂非管节点的热点应力计算，这些应力集中系数计算公式不再适用，SACS软件也无法对其进行直接的疲劳特性评估。鉴于此，本文对简化疲劳有限元计算方法进行了探讨，介绍了一种用于海上导管架平台复杂非管节点结构在波浪荷载作用下的有限元简化疲劳分析方法。并以一座已投入使用的导管架平台裙桩套筒的设计为例，详细介绍了有限元简化疲劳分析的方法和过程。这种有限元简化疲劳分析方法及其分析结果得到了挪威船级社 （DNV）的认可，对海上导管架平台非管节点的疲劳设计具有参考意义。

1 分析方法

有限元简化疲劳分析方法包括如下分析过程：首先，根据导管架设计图建立如图1所示的导管架SACS整体分析模型，并对其进行整体分析，从而得到用于简化疲劳分析的危险工况和位移边界条件；然后采用ALGOR有限元分析软件建立导管架最复杂部分裙桩套筒的有限元分析模型，如图2所示，并对裙桩套筒有限元分析模型施加荷载和位移边界条件，之后进行有限元分析；最后根据DNV疲劳规范进行导管架裙桩套筒的疲劳特性评估。

1.1 模型模拟

导管架裙桩套筒作为导管结构的重要组成部分，起着将导管架及上部组块荷载传递到桩上的作用，模型包括撑杆、导管架腿、YOKE板、剪切板和带有灌浆的桩和套 （见图2）。在模型中，采用了4节点壳单元对撑杆、导管架腿、YOKE板、剪切板进行了模拟。管节点处有限元网格的尺寸接近于杆件的厚度，并且经过多次网格划分，直到每次网格划分后的计算分析结果只有略微变化为止。

裙桩套筒的灌浆连接部分采用8节点实体单元进行模拟，桩和套筒采用4节点壳单元进行模拟，灌浆部分的实体单元与桩、套筒之间的边界条件采取耦合模拟，这表明灌浆实体单元与桩套筒壳单元的有限元网格连接节点将会有一致的位移边界条件；导管架撑杆、导管架腿、桩的端部中心点被模拟成一个刚性节点，端部荷载及位移边界条件被施加在这个点上。

1.2 材料属性

裙桩套筒各个构件组成部分及灌浆连接部分分别为高强度钢材和高标号水泥灌浆，其材料属性如表1所示。

表1材料属性

2 疲劳强度分析

2.1 加载

导管架裙桩套筒整体分析模型如图3所示。采用SACS软件对整体分析模型进行多个方向的波浪荷载分析，莫里森方程被用来计算由波浪产生的拖曳力和惯性力。根据整体分析结果选出波浪条件下的危险疲劳工况组，如表2所示，这个疲劳工况组将用来计算裙桩套筒节点处的应力幅。疲劳工况组是根据API规范进行选择的，为具有一百年重现期的波浪荷载工况，其产生最大/最小基底剪力的相位与产生最大/最小倾覆力矩的波浪荷载工况相同，因此具有最大/最小基底剪力的荷载疲劳工况组被用于进行疲劳分析[1]。

表2 疲劳工况

从SACS整体分析结果输出的导管架上每个节点的线位移和转角位移分别如表3和表4所示。表中的节点编号所对应的节点如图1和图3所示。在有限元局部疲劳分析中，所有的这些节点线位移和转角位移均作为边界条件施加到模型相应节点端部。

表3 从SACS分析输出的工况MAX下的节点线位移和转角位移

表4 从SACS分析输出的工况MIN下的节点线位移和转角位移

2.2 疲劳评估

根据DNV规范，上述有限元简化疲劳分析方法被用来进行疲劳特性评估。基于疲劳试验的S-N曲线长期应力幅的分布是用来进行疲劳分析的一个基本要求，作为一种替代，威布尔分布被用来表示应力幅的长期分布，采用威布尔应力分布和S-N双曲线，疲劳损伤表达式如下所示[1]：

当管节点板材的厚度大于规范规定的参考厚度时，允许应力幅值可以按下式进行计算得到[2]。

式中 σ0,t——最大允许应力幅值；

σ0,tref——根据S-N曲线得到的许用应力；

tref——参考厚度；

t——厚度；

k——厚度指数。

节点疲劳设计的设计寿命为二倍25年的服役寿命再加上2年的运输疲劳特性[1]，为52年的设计疲劳特性；平均波周期为9.312 s。根据η=1.0，不同节点类型的允许应力幅如表5所示。

表5 允许应力幅

2.3 应力幅计算

与单元局部坐标系相应的每个工况的六个应力分量可以用来计算单元的正应力和剪应力，并根据如下公式可计算出单元的主应力，从而得到节点处单元的最大应力幅[3]。

式中 Δσx——工况MAX和MIN下x方向的应力差值；

σxx1，σxb1——工况MAX下x方向的应力，弯曲应力；

σxx2，σxb2——工况MIN下x方向的应力，弯曲应力；

Δσy——工况MAX和MIN下y方向的应力差值；

σyy1，σyb1——工况MAX下y方向的应力，弯曲应力；

σyy2，σyb2——工况MIN下y方向的应力，弯曲应力；

σ——主应力；

Δτxy——工况MAX和MIN下的剪应力差值；

τxy1， τxyb1——工况MAX下的剪应力，弯曲剪应力；

τxy2， τxyb2——工况MIN下的剪应力，弯曲剪应力。

2.4 疲劳分析结果

根据2.3节所述，可以计算出导管架裙桩套筒在疲劳工况组条件下节点处的最大应力幅，如表6所示。

从表6可以看出所有的最大应力幅值均小于允许的应力幅值，因而裙桩套筒的疲劳强度是符合规范要求的。

表6 裙桩套筒各构件的最大应力幅

3 结束语

本文所提出的有限元简化疲劳分析方法可以用来评估导管架复杂结构非管节点的疲劳特性，其分析方法及分析结果得到DNV船级社的认同。这种方法可以用作其他海上导管架非管节点疲劳设计（尤其对适度水深和深水导管架结构的重要组成部分裙桩套筒的疲劳设计）提供了一种参考。

[1]DNV RP-C203，Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures［S］.

[2]API RP 2A-WSD （2002）,Recommended Practice for Planning,Desi gningandCastructingFixedPlatforms——WorkingStressDesign［S］.

[3]苏翼林.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

Simplified FEM Fatigue Analysis Method for Non-tubular Joint of Jacket Platform

BAO Qing-hua（China National Petroleum Offshore Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）,FENG Heng

Taking an in-service jacket platform as an example,this paper studies the simplified fatigue analysis method for the skirt pile sleeve （which is a complex non-tubular joint structure） of a jacket platform subjected to wave load.SACS software was used for global structural analysis for the jacket platform under multi-directional wave loads,the load case set and loads and boundary conditions needed in the simplified FEM fatigue analysis were chosen,then ALGOR software was used to build a finite element model and perform finite element analysis.After stress output post-processing,the fatigue analysis results were obtained.This simplified fatigue analysis method and its analytical results were recognized by DNV,that means the simplified fatigue analysis method is effective and can be used in fatigue design for the non-tubular joint structure of an offshore jacket.

offshore jacket;skirt pile sleeve;EFM;fatigue assessment

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0038－04

包清华（1973-），男，重庆人，工程师，1998年毕业于天津大学，现从事海洋工程结构设计和研究工作。

2011-08-10