基于时域分析方法的平台结构疲劳强度分析

2021-07-01韩元吉王浩煜

科技视界 2021年15期

韩元吉王浩煜秦勉岳题黄山

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川成都610241）

0 引言

21世纪被认为是海洋的世纪，随着陆地资源的日益枯竭，人们纷纷将目光投向了海洋，如何合理有效地开发海洋资源，给人类带来了前所未有的挑战。各国都从国家层面高度重视海洋资源的开发，制定发展战略，渴望能够走在海洋资源开发的前列。海洋平台作为海洋资源开发的重要装备，是一个国家海洋装备制造能力的重要标志。

海洋平台往往是高出海平面的一种海洋工程结构物，能够为钻井、采油、集运、观测、导航、施工等海上作业提供生产场地和生活设施，在海洋工程领域中具有非常广泛的应用。由于海洋平台往往在近海进行作业，会常年受到风载荷、波浪载荷等交变载荷作用，很容易发生疲劳破坏，进而导致整个平台的坍塌。同时，海洋平台作业地点往往地处近海，救援很不方便，一旦发生破坏，将会导致重大经济损失和人员伤亡，严重污染海洋环境，因此，对海洋平台进行可靠性和安全性分析是确保其能够在服役年限内正常工作重要环节[1]。

疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，是由于结构上的某点或者某些点在扰动应力作用下，在足够多的循环之后形成裂纹或完全断裂的过程。引起疲劳破失效的循环载荷的峰值往往小于根据静态断裂分析估算出来的安全载荷，在工程应用中，构件大都承受扰动载荷，大部分的结构破坏失效都是由疲劳破坏引起的[2]。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

导管架平台是一种固定式平台，可以分为上层平台和下部导管架两个部分。上层平台为工作平面，为生产生活提供场地，是一个矩形，长30 m，宽20 m，高处水面15 m；导管架结构为支撑结构，主体为4根主导管，其间用细杆做支撑，通过主导管插入海底泥土进行固定，其模型如图1所示[3]。

图1 导管架平台

1.2 研究方法

本文首先进行了导管架平台静力学分析、模态分析，在此基础上进行波浪载荷作用下的导管架平台瞬态动力学分析，获得了危险点处的应力-时间历程；其次运用雨流计数法对应力-时间历程进行统计，提取应力幅值和循环次数；最后基于S-N曲线，应用线性累计损伤理论机构的累计损伤值，估算得到结构的疲劳寿命[4]。分析流程如图2所示：

图2 研究思路

2 有限元法分析

2.1 有限元模型

根据平台结构尺寸，建立导管架平台有限元模型，各部分单元选择如表1所示。整个模型都采用同一种钢材，钢材的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3，屈服极限为360 MPa。对4跟主导管下端施加固定约束，有限元模型如图3所示。

表1 导管架平台各部分单元类型和实常数

图3 导管架平台有限元模型

2.2 模态分析

为分析结构的动力特征，采用Block Lanczos方法对导管架平台进行模态分析，计算得到导管架平台的前六阶固有频率和前六阶振型，分别如表2和图4所示。

表2 导管架平台前六阶固有频率

图4 导管架平台前六阶振型

2.3 静力学分析

采用5阶stokes模拟波浪载荷，波浪参数如表3。在进行静力学分析前，首先进行波流耦合分析，以确定波流耦合最大的相位角，波流耦合力随相位角关系曲线如图5所示，可见，在相位角为46°时，波流耦合力最大，为4 912 kN，以此作为静力学分析的输入，进行导管架平台静力学分析，导管架平台应力分布及变形云图如图6所示，可以看出，柱腿底部处应力最大，达112 MPa。

表3 波浪载荷参数

图5 波流耦合力-相位角关系曲线

图6 静力学响应云图

2.4 瞬态动力学分析

有静力学计算结果可知，柱腿底部应力最大，最易发生疲劳破坏，通过瞬态动力学相应分析，该节点在0～100 s的应力-时间历程如图7所示。

图7 柱腿底部节点应力-时间历程曲线

3 疲劳计算

3.1 雨流计数法

雨流计数规则如下[5]：

（1）将应力—时间历程旋转90°，使时间轴竖直向下；

（2）雨流从实验记录的起点和依次从峰谷值的内侧开始；

（3）雨流在遇到峰谷值时竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时的值更大的最大值（或更小的最小值）为止；

（4）当雨流遇到前面流下来的雨时，就停止流动；

（5）提取出全循环，统计应力幅值和应力平均值。

其具体步骤如下：如图8所示，雨流从1开始下流，到达2后，竖直下流，经过点3和点4中间的2’点，然后流到4点，竖直下流到5点对面停止。（5点是第一个比1点更负的值）；同理，雨滴从点2开始流，在第一个比2点更大的点4的对面停止；雨滴从3点开始流，遇到从1点流下来的雨滴点2’而停止。从而就可以提取出全循环3-2-2’。用同样的方法可以提取出全循环5-6-5’、8-9-8’。

基于以上规则，基于MATLAB编写雨流计数法统计程序。