坐底式平台结构疲劳强度分析

陆　超， 李亚军

(中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)



坐底式平台结构疲劳强度分析

陆超， 李亚军

(中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064)

摘要采用疲劳简化分析方法和谱分析方法，使用ANSYS软件对某坐底式平台进行了结构疲劳强度的校核。根据作业场地环境条件进行了详细的工况划分，运用热点应力的谱分析法计算对关键节点进行了细部疲劳分析。结果表明，该部分结构设计符合疲劳强度要求。

关键词坐底式平台疲劳强度谱分析法ANSYS

analysisANSYS

0引言

坐底式海洋平台由于其设计建造周期短、造价低廉的优势，在河流和海湾等30 m以下的浅水域以及海床平坦的浅海区域的油气勘探开发作业中发挥了重要的作用[1～3]。我国渤海沿岸的胜利油田、大港油田和辽河油田，由于其浅水的海况条件，在开采过程中广泛使用了坐底式平台进行作业[4,5]。

由于处在各种不利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因素。因此对平台结构的疲劳强度分析是十分必要和关键的。根据中国船级社颁发的《海上移动平台入级规范》2012版规定[6]：疲劳校核的目的是确保平台结构在营运期间具有足够的疲劳寿命。疲劳寿命的计算结果可用作制定平台在制造和工作期间检验规程的依据。疲劳分析的范围和方法将取决于平台设计中所考虑的预期作业模式和区域。结构的疲劳设计寿命应不小于平台的设计年限，且不小于20 年。对于可能产生潜在疲劳裂纹的任一焊缝和引起应力集中的结构形式均应进行抗疲劳设计。必要时，应进行节点细部的疲劳分析。对于柱稳式平台，校核部位主要包括以下内容：撑杆；撑杆与下壳体、柱体和甲板相连处；主柱与下壳体相连处；主要结构不连续处。

目前海洋平台分析校核中常用的平台疲劳分析方法主要有疲劳简化分析方法、随机疲劳分析方法以及确定性方法。疲劳简化分析方法，或称简化方法，是用于抗疲劳设计的初期阶段。在确定危险结点后，需再进行随机疲劳分析。在简化方法中对设计参数的取用应适当保守。随机疲劳分析方法又称谱分析方法。随机疲劳分析应用公认的方法和准则进行计算。疲劳分析载荷应基于预期作业海域或北大西洋长期分布的环境数据资料。载荷响应计算考虑的浪向角应不小于7 个。确定性方法主要基于经验曲线进行疲劳寿命估算，精确性不及随机疲劳分析方法。本文主要依托ANSYS软件，采用疲劳简化分析方法和随机疲劳分析方法对某坐底式平台进行疲劳校核及分析。

1环境条件

根据平台所处海区每月的波高浪向概率分布，可以统计得出平台所处海区全年的波浪方向概率分布，如表1所示[7]。

根据平台所处海区每月的波高和波周期概率分布，可以统计得出平台所处海区全年的波高和波周期联合概率分布，如表2所示。

表1　平台所处海区全年波浪方向概率分布　　　　　　　　　单位：%

表2　平台所处海区全年波高和波周期联合概率分布　　　　　　　　　　　单位：%

2计算模型建立

2.1平台数据

平台在空载情况下的重量控制如表3所示。

表3　平台在空载情况下的重量控制表

2.2计算模型及载荷输入

本项目中采用ANSYS软件对坐底式平台的结构疲劳损伤进行计算。根据原型数据建立有限元模型，如图1所示。其中，船体、沉垫的外壳模型采用Shell281单元建立。Shell281适用于薄到中等厚度的壳结构，该单元有8个节点，每个节点有六个自由度，分别为沿节点X、Y、Z方向的平动及绕节点X、Y、Z轴的转动。Shell281单元具有应力刚化及大变形功能，且有强大的非线性功能，可以对截面数据进行定义、分析、可视化等操作。由于Shell281单元具备以上特性，因此采用该单元计算平台立柱与下壳体连接处的热点应力是有效的。对于所有的骨材和肋板，采用Beam188单元建立。

图1　平台的有限元模型

平台上部模块由于并未在疲劳分析中扮演重要角色，因此在模型中并未体现，但各部分功能模块的具体重量则按照重量控制报告分别在上部甲板的相应位置处予以了模拟，模拟方法采用调整等效材料密度的方式实现。

根据波浪理论可知，当结构的直径与波长比值小于2.0时采用Morrison方法计算波浪载荷，据此对于该平台立柱的载荷施加可采用基于Morrison理论的水动力计算单元。为便于在计算模型中形成有效的载荷输入，在所有桩腿模型的中心部位额外设置了pipe59单元。该类单元是ANSYS软件中特有的水动力计算单元，通过在单元属性设置watertable项即可形成对波浪参数的输入。pipe59单元在模型中设置为所有节点与相应位置处的Shell281单元所有节点耦合，已形成有效的载荷传递操作，并保证不会对结构整体刚度形成影响。

2.3疲劳损伤评估位置

为确定平台的疲劳损伤评估位置，首先针对平台在极端波浪工况条件下的应力分布情况进行了计算分析。计算结果显示，平台六根立柱与上部沉垫结合处的应力水平最高，并且应力在这些位置处表现出很高的应力集中水平，如图2、图3所示。在对结构主要连接处的热点应力进行有限元分析时，其主要侧重点在于生成一个模型，并使该模型给出受焊缝影响的外侧区域应力精度。此模型应具备将应力外推回到焊趾的精细网格，以保证热点应力计算的精度。应力集中分析的有限元模型对单元类型和网格尺寸通常较为敏感。在减小单元尺寸时，有限元应力在不连续点处会趋于无限大。因此，有必要给单元尺寸设定一个下限并使用外推到热点的方法，对不同计算机程序和用户的结果进行对比，有一个较为统一的基础。另一方面，为了正确地得到几何应力增加的情况，使位于“t/2”和“3t/2”(t为板厚)处的应力参考点不处于同一单元内至关重要。这意味着板厚数量级的单元尺寸可用于建模。在焊缝的整个几何形状都包括在模型描述中的情况下，如果使用实体单元模拟，位于热点附近的单元尺寸必须要减少到板厚的一半[8]。

图2　平台结构整体应力分布

图3　平台结构热点应力分析区

单元应力通常是高斯积分点推算出来的。单元类型，做一些外推以便确定代表焊趾位置的应力是必要的。为了保存热点处主应力方向的资料，应使用分量应力以外推。如果用壳单元模拟，且整个焊缝的几何形状不包括在模型中，则必须外推到单元交界线上。如果整个焊缝几何形状包括在模型中(3D模型)，则外推与焊趾有关。若使用8节点壳单元，则热点可认为位于单元交界线上。示例如图4所示。

图4　单元模拟示例

据此，在本项目有限元模型的建立中，对平台的立柱与下壳体连接处的局部区域进行了详细的划分，如图5所示。由于在不同的外部载荷作用方向下，连接处焊缝周围的应力分布将会发生变化，因此选取平台立柱与下壳体6个连接处每处的外侧8个点的热点应力进行计算。图6为8个热点的位置示意图。

图5　平台立柱与壳体连接处的局部区域网格划分

根据上述分析结果，可将平台结构最终的疲劳分析对象确定为：平台六根立柱与上部沉垫结合处。

3简化疲劳分析

根据DNVGL-RP-C203[9]的要求，当采用简化

图6　连接处8个热点的位置示意图

疲劳分析时，平台结构应满足以下疲劳损伤要求：

(1)

DNVGL-RP-C203规范根据不同管节点类型推荐了两种S-N曲线，即WJ曲线和CJ曲线。其中，WJ曲线适用于焊接管节点，而CJ曲线主要用于浇铸类型的管节点。对于这两种不同类型的管节点，S-N曲线表达式中的各参数取值不同，取值结果如表4所示。管节点基础设计S-N曲线可以写成下式形式：

(2)

式中：N为在应力范围S下预计发生破坏时的应力循环次数；k1为一常数；m为S-N曲线的反斜率。

表4　基础设计S-N曲线参数取值

结合本项目平台结构型式，选用WJ曲线进行疲劳分析。WJ曲线形式如图7所示。需要注意的是，这里的S-N曲线是在标准厚度(16 mm)下得到的。因此，在疲劳分析过程中还需要考虑实际管件厚度对应力范围的影响，并进行厚度修正。当材料厚度大于标准厚度时，可以按照下式进行修正：

图7　标准厚度(16mm)下S-N曲线

(3)

式中：tref为标准厚度(16 mm)；S为实际应力范围；S0为S-N曲线中标准厚度下的应力范围；t是材料厚度。依据上述S-N曲线计算得到的累积疲劳损伤还应乘以5.0的安全系数。

根据平台所处海区每月的波高浪向概率分布，可以统计得出平台所处海区全年的平均跨零周期为5.2 s，对应的波高为2.0 m。对上述的平台模型进行该波浪条件下的瞬态动力分析，可得六个计算位置处的应力分布情况(见图8)和波动情况(18.5 MPa)。

图8　简化疲劳分析热点应力分布

根据以上结果可确定WJ曲线的参数m为3，Gama函数取值根据DNVGL-RP-C203要求确定为6.0，将18.5 MPa的应力波动范围带入上述简化疲劳校核公式(式1)中，可得到简化评估的总损伤比为：D=0.66<1.0。据此，简化疲劳分析结果表明，平台结构的疲劳寿命满足设计要求。

4波浪谱疲劳分析

4.1计算工况

根据第3章中给出的不同波高、波周期以及波浪方向设定不同的疲劳计算工况。共计算8种不同的波浪方向(即N、EN、E、ES、S、WS、W、WN分别表示北、东北、东、东南、南、西南、西以及西北方位)，每个方向下包含40种不同的波高波周期组合，总计320个计算工况。平台的坐向及6根立柱的编号如图9所示。

图9　平台坐向及立柱编号示意图

4.2波浪谱疲劳分析

在各波浪疲劳分析工况中，选取Jonswap谱描述波浪能在频域的分布情况。

由上一节得到的波高谱通过传递函数转换，可以得到结构各连接处的应力波动范围响应谱：

(4)

式中：Sηη(f)是波高功率密度函数；T(f)是应力范围传递函数。

为确定结构各连接处应力范围响应谱与波高谱之间的传递函数T(f)，使用ANSYS有限元软件对坐底式平台结构进行瞬态动力分析，进而得到结构各连接处的热点应力范围。

对于上一节得到的应力范围响应谱，其n阶谱矩：

(5)

应力范围标准差：

(6)

应力响应有效频率：

(7)

结构连接处的应力范围历程可假定是一个窄带高斯过程，其峰值服从瑞利分布。由式(6)确定的应力范围标准差可得瑞利分布概率密度函数p(σr)：

(8)

该函数曲线所围总面积为1。其中，对于大于5倍标准差的应力范围，其出现概率可以忽略。对于5倍标准差以内的应力范围，可将其划分为更小的应力范围区域，用各分块应力范围均值代表该区域内的应力范围值。各区域的出现概率与曲线下所围频带面积相对应，第i个应力范围区域的出现概率为

(9)

在波浪疲劳分析工况j下，第i个应力范围区域的年循环次数为

(10)

式中：右边第一个常数是一年中作业时间，单位为s；P%是疲劳工况j的年出现概率；P(σri)是第i个应力范围区域的出现概率，fe是疲劳工况j的应力响应有效频率。

将各波浪疲劳分析工况下各应力范围区域的热点应力范围和年循环次数代入S-N曲线中，即可求得该应力范围区域的年疲劳损伤。在波浪疲劳分析中选用API RP WSD[10]规范推荐的管节点S-N曲线。

由各波浪疲劳分析工况下，各应力范围区域的年循环次数和通过S-N曲线计算得到的临界循环次数，可求得结构各连接处的年累积疲劳损伤Df：

(11)

式中：nij是疲劳分析工况j下第i个应力范围区域的年循环次数；Nij是由S-N曲线计算得到的该应力范围的临界循环次数。将两者在不同疲劳工况和不同应力范围下的比值相加，就得到年累积疲劳损伤Df。

在周期性的波浪载荷作用下，平台立柱与下壳体各连接处的疲劳寿命Tf即为上述年累积疲劳损伤的倒数：

(12)

4.3校核结果

坐底式平台结构的波浪谱疲劳分析结果如表5所示。可以看出，平台的最大累计疲劳损伤出现在3号和4号立柱与沉垫的结合位置，最小疲劳寿命分别为95年和96年。

表5　波浪谱疲劳分析结果

续表5　波浪谱疲劳分析结果

5总结

经过简化疲劳分析的总体估计，以及波浪谱疲劳分析的多工况热点应力计算，选取的6个立柱与沉垫结合处的热点应力疲劳寿命满足平台设计寿命要求，该部分的结构设计对于疲劳强度是合理的。

参考文献

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Analysis on Fatigue Strength of Bottom Supported Platform

LU Chao, LI Ya-jun

(China Ship Research and Design Center, Wuhan Hubei 430064, China)

AbstractThe check of structural fatigue strength of bottom supported platform is accomplished based on simplified fatigue analysis method and spectral-based fatigue analysis method with the help of ANSYS. Detailed working conditions are arranged in accordance with local environmental conditions. Fatigue analyses of key joints are carried on with the use of spectral-based fatigue analysis for hot spots. The results show that the fatigue life of the structure satisfies the design strength request.

KeywordsBottom supported platformFatigue strengthSpectral-based fatigue

中图分类号P75

文献标志码A

作者简介：陆超(1981-)，男，硕士，工程师，研究方向为海上结构物设计评估。