（船舶与海洋工程专业论文）自升式平台管节点疲劳损伤研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 管节点是海洋平台结构关键但却薄弱的构件，海上平台的失事很多是由于管节点脆 性断裂或疲劳破坏所致，因此，对海洋平台管节点进行疲劳特性研究以探明其应力成分 的形成机理，有效减小其应力集中，从而增加其疲劳寿命是极为重要的工作。 本文以j u 2 0 0 0 e 型自升式平台管节点疲劳损伤计算为背景，对海洋平台管节点疲劳 强度的特性展开基础研究。根据平台的特点和现有的设计资料，提出进行疲劳分析所需 要的基础数据和分析方法及步骤；对提供的环境资料和相关的基础数据进行筛选，得出 适合本计算的数据资料，对结构进行数值模拟分析，从工程实际出发，对现有结构进行 疲劳分析。 本文应用有限元软件a n s y s ，建立平台整体模型，根据a p i 规范提供的s - n 曲线， 以及m i n e r 线性疲劳累积损伤准则计算出平台管节点的疲劳寿命，为今后同类型自升式 平台的设计和建造提供了有意义的技术参考。 关键词：自升式平台；管节点；疲劳强度 张恩国：自升式平台管节点疲劳损伤研究 s t u d y o nf a t i g u ed a m a g eo f j a c k u p st u b u l a r j o i n t s a b s t r a c t t h et u b u l a rjo i n t sa r et i l em o s ti m p o r t a n tb u tt h ew e a k e s tm e m b e r so fo c e a np l a t f o r m i t h a sb e e nf o u n dt h a tt u b u l a rjo i n t sf a t i g u ec r a c k sa r ead o m i n a t i n gt y p eo fd a m a g ei no c e a n p l a t f o r m a n dt h ee c o n o m i c a l l o s s e sa r ea l s oc o n s i d e r a b l e s oi ti se v i d e n tt h a tt h e r ei sag r e a t n e e df o rb e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft u b u l a rj o i n t sf a t i g u eb e h a v i o r sa n dm e c h a n i s m s ，t h u st h e f a t i g u el i f e t i m e so ft u b u l a rj o i n t sc a nb ec o r r e c t l yp r e d i c t e da n dt h ee f f e c t i v ew a y st oi m p r o v e f a t i g u el i f e t i m e sc a nb ef o u n do u t t h i sp a p e ri sg r o u n d e do nt h ea n a l y s e so ft u b u l a rj o i n t sf a t i g u es t r e n g t ho f 2 0 0 0 e t y p ej a c ku pa n ds o m eb a s i cw o r kf o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft u b u l a rj o i n t sf a t i g u el i f e t i m e p r e d i c t i o ni nf u t u r eh a sb e e nd o n e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r ea n di n f o r m a t i o nr e c e i v e d ，t h ed a t an e e d e d f o rc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sm e t h o dw a sd e c i d e d ；w i t ht h ee n v i r o n m e n td a t aa n dt h eb a s a ld a t a o f f e r e d 。t h ed a t aa r ea n a l y z e da n dt h eu s e r i a l sa r es e l e c t e d ；a c c o r d i n gt ot h es e r v i c e a b l ed a t a ， t h es t r u c t u r e sn u m e r i c a lm o d e l i sf o r m e da n dt h es t r u c t u r e sf a t i g u ed a m a g ec a nb ea c h i e y e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h er i gi sf o r m e dt h r o u g ha n sy sp r o g r a m w i t hs - nc u r v e s e l e c t e df r o ma p ir u l e s t h em i n e rl i n e a rf a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o nr u l ei su s e dt o c a l c u l a t ef a t i g u el i r eo ft h et u b u l a rio i n t s f i n a l l y ，s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sd r a w ni nt h i s p a p e rw i l lg i v ev a l u a b l et e c h n i c a ls u p p o r tf o rf u t u r ed e s i g na n db u i l d i n go f t h ej a c ku p k e yw o r d s ：j a c ku p ；t u b u l a rj o i n t s ；f a t i g u es t r e n g t h i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：二趔日期：2 型攀 大连理工：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：主筵望：! 囵作者签名：鱼坠型：! 型 导师签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 引言 海洋平台是为开发与利用海洋资源，提供海上作业与生活的场所。随着海洋开发事 业的迅速发展，海洋平台的需求量越来越大。圆柱壳体具有优良的水动力性能、较高的 强度重量比以及优良的各方向等屈曲强度性能，所以，离岸结构物，诸如导管架和半 潜式平台等，主要是由钢管焊接构成。在这些钢管的连接部位，即管节点处，结构形状 复杂、相贯部位变化不连续。另外，大部分海洋平台管节点都为焊接结构，由于焊接工 艺的特点，焊缝的材质是不均匀的，通常由焊肉、熔合线和热影响区所组成，各个区域 材质不同，性能不一样，因此抗破坏的能力有差异，而且焊缝本身不可避免地存在各种 宏观缺陷。由于结构形式和焊接的影响，在管节点的相贯线附近，很容易产生极大的应 力集中。在工作状态中，这些钢管在海洋环境中要承受海浪力、潮流、海水腐蚀、地震、 微生物、工作时变动力等产生的交变载荷，因此，在上述应力集中区极有可能出现疲劳 破坏。因为疲劳破坏常带有突然性，所以往往导致灾难性设备事故和人身事故。自海洋 平台设计制造和投产营运至今已有近五十年的历史，平台倒塌事故屡见不鲜，仅墨西哥 湾就倒塌了十二座以上，损失巨大。究其原因，主要是管节点疲劳破坏所致【l 】。因此， 为了安全可靠，对平台的设计和验收应满足疲劳强度的要求。而对管节点进行疲劳强度 分析，以获得其欲估疲劳寿命，为平台的顺利建造和安全生产提供技术依据就成了一件 必不可少的工作。 在过去的三十多年中，由于管节点疲劳设计的迫切需要，人们对管节点的疲劳性能 进行了大量的试验研究和数值模拟计算，并取得了相当大的成果。其中各船级社如 d n v t 引、l r 和b v 等都通过系列试验，以各自形式给出了各种类型管节点的应力集中 系数( s c f ) 计算公式，建立了各自的疲劳强度校核方法和准则。s m c h e n g 3 通过对t 型管节点的疲劳试验，建立了疲劳裂纹的扩展公式。我国也早在八十年代就开始了管节 点疲劳的研究1 4 j ，其后建立了基于国产z 向钢的基础s - n 曲线和t 型管节点的热点应力 公式【5 】。另外，姚木林、石理副6 j 等还对内环加强的管节点疲劳性能进行了试验研究， 并给出了取得较优加强效果的内环参数。 但是，由于管节点的试验费用昂贵，随着计算机技术的发展，很多人开展了管节点 的疲劳性能数值计算。英国人m r m o r g a n 和m m k l e e 7 - 1 0 j 应用薄壳单元对2 5 4 个不 同参数的k 型管节点进行了有限元分析和计算( 典型的k 型管节点见图0 1 ) ，分别给 出了k 型管节点在分别受轴向平衡载荷、面内弯矩和面外弯矩时弦( 主) 管与支管相贯 n 一n 线上各关键点的s c f 参数方程。这些关键点是：冠趾( 伊2u 。) 、冠跟( 伊21 8 u 。) 、 大连理工大学硕士研究生学位论文 鞍点( 9 = 9 0 0 ) 以及处于冠点和鞍点之间的中间点( p 2 4 5 。和够21 3 5 。) 。对于后两 种受弯矩载荷的情况，他们还根据各关键点的值通过三次曲线拟合得到了沿整个相贯线 的s c f 参数方程。差不多在同一时期，e c h a n g 和w d d o v e r 1 - 3 1 也用薄壳单元分别对 t 、y 、x 和d t 型管节点各3 3 0 个不同参数的模型进行了有限元分析和计算，并给出了 基于管节点参数的沿相贯线的s c f 计算公式。值得指出的是，m r m o r g a n 等的沿相贯 线的s c f 计算公式需要己知各关键点的s c f 值，而e c h a n g 等的参数公式中只需要初 始的管节点参数，这对于初始设计时使用非常方便。在以上文献中，热点应力都是采用 沿相贯线管壁外表面上节点的最大主应力，但是，通过对大量的疲劳试验数据分析发现， 焊接管节点具有相同的热点应力但有不同的几何形式或载荷形式时，其寿命有明显差 别。进一步的研究表明，这种差别主要是由于裂纹的生长速率的改变引起的，而生长速 率又依赖于沿管壁厚的应力分布情况。为了能更准确地预报疲劳寿命，就要对壳单元中 膜应力和弯曲应力成分有一个清楚的了解。e c h a n g 1 4 】曾进行过这方面的研究工作，他 通过对x 和d t 型管节点的分析，给出了这两种管节点弦管各关键点的弯曲应力计算公 式。为了考察k 型管节点的柔度，s p y r o sa k a r 锄a n o s 【”】应用壳单元对典型k 型管节 点进行了有限元分析计算，给出了考虑管节点柔度的热点应力计算公式。 扩、jd 铲嗥。妻管2：t 瓜， 颡- - - i 蠹j p 。二了坌曼! 么翟， 矗。彩笊“、飞 - - 。么。嚣雩3 夕 + 。7f _ 7 鑫磊f ，簟如乓一。t ； ；。；：鼻： 一 。，。 ，“+ 。4 ；5 。 弋k 。、：兰，? 。：。；= 。：，。一。；二。：。? ，歹； 采用壳单元虽然能大大简化管节点的有限元模型建立，但是由于它的厚度只是作为 单元的一个参数，而没有体现在单元的形状中，故而它只能模拟管节点的中面，而无法 模拟焊缝以及其它的一些三维特征。这就导致由壳单元得到的局部( 特别是支管) 热点 应力偏离实际情况而须修正。为了更好地模拟实际结构以得到相贯线附近更加真实准确 的应力，就有必要采用三维块单元来模拟实际管节点。s p y r o sa k a r a m a n o s 1 6 】等应用2 0 节点三维块元对k 型管节点在不同受载情况下进行了有限元分析计算。给出了支管受平 2 彬彬”扔彳荔嚣所 大连理工大学硕士研究生学位论文 衡轴向载荷、面内弯曲、面外弯曲以及弦管受载时各关键点( 弦管的冠点和鞍点与支管 的冠点和鞍点) 的s c f 计算图表和公式。而s p c h i e w 1 7 d 8 】等则应用2 0 节点三维块元 对x x 型管节点在各种不同载荷情况下的s c f 进行了分析计算，给出了各关键点在三种 支管载荷作用下的s c f 计算公式。 此外，d r a d a j 1 9 】等尝试用切口应变的方法来评估焊接管节点的疲劳强度，但他发 现预估的寿命与试验数据有很大的出入，离散性很大。经过分析，他认为这种出入主要 是由于局部参数( 特别是焊脚附近) 的不确定性导致的。由于焊脚形状的离散性，使得 裂纹的起始点无法准确确定，因而只好假设成最坏的情况，而这样可能与实际差别很大。 另外，人们在试验中发现，沿相贯线扩展的裂纹并不是垂直于弦管管壁扩展的，而是不 断地改变方向而使断裂面成为一个空间曲面。d b o w n e s s 和m m k l e e j 用最大主应 力准则对这种现象进行解释并进行了模拟计算，给出了预报裂纹扩展方向的方法。而上 海交大的钱仍绩【2 1 】等则用应变能密度因子理论对此进行了分析，得出了类似的扩展规 律。 在管节点中，不但有圆支管与圆弦管连接的情况，还有方支管与方弦管连接的情况 以及圆支管和方弦管连接的情况，对于最后一种管节点，b yp g a n d h i 和s t i gb e r g 2 2 1 通 过对7 个试样进行试验分析得出，其s c f 之值介于圆( 支管) 圆( 弦管) 相接与方( 支 管) 方( 弦管) 相接之间，用圆圆相接的参数公式总是偏于保守。 材料科学揭示，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的微裂纹总是存在的， 特别是在焊缝的区域内。疲劳作为一种破坏模式，它实际上是这些微裂纹的扩展和汇合， 从而形成宏观裂纹，宏观裂纹的进一步扩展导致最后的破坏。疲劳破坏过程一般来说可 分为三个阶段：裂纹的起始，裂纹的稳定扩展以及最后断裂。引起疲劳破坏的原因也与 总强度或局部强度破坏的原因不同，前者是由于交变应力，特别是交变的应力幅值范围 引起的，而且其破损是一个逐渐累积的过程；而后者是由极值应力幅值引起的，它是一 种突然破坏。 在微观层次上，疲劳破坏是一个极其复杂的过程，很难用严格的理论方法进行描述 或模拟。因此，目前的疲劳分析方法都是建立在宏观的层次上，在工程中应用的疲劳分 析方法可以分为三大类：s n 曲线法、断裂力学方法以及可靠性方法。 经典的疲劳分析方法基于s 。n 曲线和p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤准则，用循环 应力范围或塑性应变范围或总应变范围来描述导致疲劳破坏的总寿命。与s - n 曲线法不 同，疲劳设计的断裂力学方法以“损伤容限”原理作为设计基础。这里的基本前提是认 为损伤为一切工程构件所固有。原有损伤的尺寸通常用无损探伤技术来确定。疲劳寿命 则定义为主裂纹从这一原始尺寸扩展到某一临界尺寸所需的疲劳循环数或时间。采用损 大连理工大学硕士研究生学位论文 伤容限法预测裂纹扩展寿命时需要应用断裂力学的裂纹扩展经验规律。根据线弹性断裂 力学的要求，只有在满足小范围屈服条件下，也就是远离任何应力集中的塑性应变场， 而且与带裂纹构件的特征尺寸( 包括裂纹尺寸) 相比，裂纹顶端塑性区较小，弹性加载 条件占主导地位的情况下，才可以应用断裂力学方法幽j 。 这两种方法各有优缺点。s - n 曲线法利用了抽象的“破坏”模型，从而可以避免裂 纹尖端复杂应力场的分析，而且在有的情况下，微裂纹的形成和汇合，即通常所指的裂 纹起始阶段寿命可以占总寿命中的很大一部分。断裂力学则可以更好地反映尺度效应以 及可以对一个已有裂纹的结构提供一个更精确的剩余寿命估算方法l z 4 1 。 目前，s - n 曲线法和断裂力学方法在工程中得到了广泛的应用。成为了两种相互补 充的基本方法。但是，这两种方法以往都是在确定意义上使用的，也就是说，在分析过 程中，有关的参量都认为是有确定数值。而实际上，工程中涉及到疲劳的有关因素都是 随机的。例如载荷随机性，材料的随机性等等。这些随机性决定了用确定性的方法不可 能对上述各种不确定因素的影响做出客观的反映。为此，人们开始采用疲劳可靠性的方 法来进行疲劳寿命评估。在这个理论中，影响结构疲劳寿命的不确定因素都用随机变量 或随机过程来描述；在充分考虑这些不确定因素的基础上，一个结构的疲劳寿命合格与 否，用该结构在服役期内不发生疲劳破坏的概率来衡量。这一概率称为结构疲劳可靠度。 很显然，对于受到大量不确定因素影响的工程结构的疲劳问题，用结构疲劳可靠性理论 来加以研究是非常适当的。在船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析中，其研究内容大致 可由五部分组成：建立疲劳载荷的概率模型、建立疲劳强度的概率模型、疲劳寿命的可 靠性预测、结构系统的疲劳可靠性预测和结构的模糊疲劳可靠性预测 2 5 】。 近年来，人们发现，不确定因素按其性质可以分成两大类，除了随机的不确定因素 外，还有一些不确定因素具有模糊性质。在疲劳可靠性分析中，计及模糊不确定因素的 影响称为一个新的研究课题【2 睨8 1 。 按可靠性理论，结构在随机载荷作用下的疲劳寿命是个随机变量。作为随机变量的 疲劳寿命服从何种概率分布，目前主要有两种假设： ( 1 ) p a u lh w i r s c h i n g 等提出的 对数正态分布格式；( 2 ) w h m u n s e 等提出的w e i b u l l 分布格式【2 9 1 。 虽然疲劳可靠性方法从理论上是最完善的，可以更合理的描述实际中结构的各种不 确定因素，更加符合客观事实。但是在工程实际中，由于缺乏充分的统计数据资料，使得 疲劳可靠性分析中最关键的概率模型的建立也存在很大的分散性，这成为阻碍疲劳可靠 性分析在工程实际中推广的重要原因。 因而目前常用的海洋工程疲劳强度分析还主要是采用操作起来简单的s - n 曲线法。 而s - n 曲线法又可根据其采用的应力或应变的特点而进一步细分为名义应力法、热点应 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 力法、切口应力法和切口应变法【3 0 】。在海洋平台管节点疲劳中，人们广泛采用热点应力 法。 在常规的疲劳试验中，循环应力的应力幅在整个试验过程中保持不变。但是，大多 数的海洋工程结构构件在工作中所承受的工作载荷是交变载荷，在工程设计中人们建立 了各种方法来考虑这种不同幅值的交变载荷影响。这些的方法普遍建立在“损伤”这个 概念上。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，这 种损伤能累积的。当损伤累积到临界值时，结构就发生破坏。基于这一思想，出现了多 种疲劳累积损伤理论。如线性疲劳累积损伤理论、双线性疲劳累积损伤理论和非线性疲 劳累积损伤理论。但是工程中最常用的还是p a l m g r e n m i n e r 3 3 】线性疲劳累积损伤假设。 虽然p a l m g r e n m i n e 法则有很多局限性，如同一载荷块内，应力须是对称循环变应 力，或等效成对称循环变应力，无法考虑载荷历程和加载顺序的影响等，但由于 p a l m g r e n m i n e 法则应用比较简单，且疲劳分析中还有其它多方面的不确定因素，故而 p a l m g r e n m i n e 3 4 - 3 6 j 法则在工程中仍然被广泛使用。 本文以j u 2 0 0 0 e 型自升式平台管节点疲劳损伤计算为背景展开课题，为今后对海洋 平台管节点疲劳强度的进一步研究打下基础。本文根据平台的特点和现有的设计资料， 应用有限元软件a n s y s ，建立平台整体模型，根据a p i 规范提供的s - n 曲线，以及 m i n e r 线性疲劳累积损伤准则计算出平台管节点的疲劳寿命，为今后同类型自升式平台 的设计和建造提供了有意义的技术参考。 大连理工大学硕士研究生学位论文 1j u 2 0 0 0 e 型钻井平台简介 j u 2 0 0 0 e 型钻井平台是由一个驳船形船体( 平台) 和三个可升降桩腿组成的自升式 平台，是一艘用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业的钻井装置，适合于世界范围 1 2 2 m 水深内各种海域环境条件下的钻井作业。可升降的桩腿能将船体上升到海面之上一 定高度，并能支撑整个平台在海上作业。桩腿为透空式桁架结构，其截面为三角形，由 于透空，桩腿上的波浪力和海流力大大减小。在桩腿弦杆上带有齿条，与齿轮升降装置 配合工作。该钻井平台具有较强的海上作业能力，在最大作业水深1 2 2 m 时最大钻井可 变载荷为3 7 6 6 t ，悬臂梁纵向作业范围：最大外伸2 2 8 6 m ，钻台左右横向移动各4 5 7 m ， 最低设计温度- 2 0 ，最大钻井作业深度可达9 1 5 0 m 。 1 1 钻井平台总体描述 钻井平台船型为三角形船体，带有三个三角形桁架桩腿，每个桩腿由下端的桩靴支 撑。钻井平台的船体型长7 0 3 6 m ，型宽7 6 o o m ，型深9 4 5 m 。三个桩腿位置如下：前桩 腿位于钻井平台中心线上，两个后桩腿距前桩腿4 5 7 2 m ，位于中心线两侧2 3 7 7 4 m 处。 桩腿下端的桩靴是一个外径为1 7 9 8 5 m 的多边形圆锥体。包括桩靴在内，桩腿全长为 1 6 6 9 8 m 。 该钻井平台设有五层生活区，满足u kh s e 标准，能够供1 2 0 人的就餐、住宿、医 疗、办公和娱乐，设有单、双人居住舱室。直升飞机平台位于钻井平台平台线前部。生 活区还包括候机室、无线电通讯室、升降控制室和应急发电机房。 钻台位于悬臂梁尾部的底座上，悬臂梁可以前后移动，底座上的钻台也可以在悬臂 梁上左右移动。 悬臂梁和钻台上备有足够长的连续( 无接头) 电缆( 电源、控制、通讯等用) 。除 了所配设备和装置的特殊要求外，电缆在点与点之间连接不得使用中间接线盒。履带式 电缆桥的设计和安装应满足悬臂梁的最大外伸2 2 8 6 m ，钻台左右横移4 5 7 2 m 的全范围 移动的要求。同样，在服务软管连接处，也应提供足够的软管接头( 主甲板悬臂梁钻 台) ，以保证悬臂梁和钻台全范围的移动的要求。 1 2 主尺度 型长 型宽 型深 设计吃水线 7 0 3 6 m 7 6 o o m 9 4 5 m 6 4 m 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 3 主要性能 桩腿总长 桩靴型深 桩靴直径 悬臂梁型深 悬臂梁长度 直升飞机平台直径 直升飞机平台距基线高度 最大作业水深 最大钻井作业工况可变载荷 风暴自存工况可变载荷 悬臂梁最大纵向外伸 钻台左右横向移动 最低设计温度 最大钻井作业深度 总装机容量 电制 生活区 作业区域 7 1 6 6 9 8 m 5 9 5 m 1 7 9 9 m 8 5 3 m 5 5 6 0 m 2 5 6 0 m 2 7 9 0 m 1 2 2 m ( 4 0 0 英尺) 3 7 6 6t 2 9 9 5t 2 2 8 6 m ( 7 5 英尺) 4 5 7 m ( 1 5 英尺) - 2 0 9 1 5 0 m ( 3 0 0 0 0 英尺) 约8 0 0 k w 6 9 0 v 、3 p h 、6 0 h z 1 2 0 人，u kh s e 无限航区 大连理工大学硕士研究生学位论文 譬、： “2 i ；馨 一毫 ，“j b ；， j u 2 0 0 0 e 型自升式钻井平台升起后的侧视图 国 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 4 载荷定义 ( 1 ) 固定载荷 包括下列永久固定在钻井平台上并构成钻井平台的一部分的设施：生活区、直升机 平台、底座、起重机、绞车、锚机、柴油机、发电机、泵类、电器设备、电缆、钻井设 备、固定装置、设备底座、管汇、绳索，以及正常作业时上诉设备中的液体等。 ( 2 ) 可移动固定载荷 包括钻台、悬臂梁及与其相固定的设备及装置。( 如泥浆回流罐、固井系统、振动 筛、泥浆净化装置、绞车房、钻机、电气装置、电缆、井架、管汇、绳索，以及正常作 业时上述设备中的液体等) 。 ( 3 ) 可变载荷 包括钻井作业期间需移动、挪动或消耗的物品，如散装泥浆、散装化学药剂、散装 水泥、液态泥浆、液态水泥、套管、钻杆、钻铤、钻井水、柴油、润滑油、工作人员、 生活供应品、饮用水、立根盒载荷、套管b o p 张力系统载荷、泥浆录井装置、防喷器组、 试油设备、集污罐重量、测井装置等。 ( 4 ) 钻井底座载荷 指钻井过程中作用于钻台底座上的载荷：大钩或转盘载荷、立根盒载荷、套管张力 装置载荷。 1 5 设计参数 表1 1 的数据，是基于： 桩腿长度：1 6 6 9 8 m 悬臂梁位置：转盘中心线距艉梁后2 2 。8 6 m 包括套管( 直径9 1 4 4 姗) 无海生物 考虑了p 一万效应和动态放大系数( d a f ) 表1 1 设计工况 t a b 1 1l o a d i n gc o n d i t i o n s 水深( m ) 1 2 1 9 21 0 6 6 8 9 9 9 8 最大浪高( i i 】) 1 7 0 72 0 7 3 1 7 6 8 相应的海浪周期( s )1 3 81 4 71 6 9 大连理工大学硕士研究生学位论文 最大风速( m s 一分钟平均值) 3 6 0 1 3 6 0 l3 6 0 1 底流 0 0 00 0 0o o o 流速( m s ) 表面流 o 5 11 0 3o 7 7 气隙( m ) 1 2 1 91 5 2 41 9 8 1 入泥深度( m ) 3 0 53 0 53 0 5 可变载荷( t ) 3 7 6 63 7 6 63 7 6 6 最低设计温度 - 2 0 - 2 0 一2 0 表1 2 设计风暴自存工况 t a b 1 2s t o r ms u r v i v a lc o n d i t i o n 水深( m ) 1 2 1 9 21 0 6 6 8 9 9 9 8 最大浪高( m ) 1 3 4 11 7 3 72 1 9 5 相应的海浪周期( s ) 1 4 11 5 51 5 5 最大风速( m s 一分钟平均值) 5 1 4 45 1 4 44 4 7 5 流速 底流o 0 0o 0 00 0 0 ( m s ) 表面流 o 7 71 0 30 5 1 气隙( 皿) 1 2 1 91 5 2 41 9 8 1 入泥深度( m ) 3 0 53 0 53 0 5 可变载荷( t ) 2 9 9 52 9 9 52 9 9 5 最低设计温度 - 2 0 - 2 0 - 2 0 1 0 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 波浪载荷计算与计算工况 在海上作业的平台，波浪载荷导致结构内部产生了交变应力。若一座海洋平台的服 务期为2 0 年到2 5 年，那么，结构内因波浪作用引起的交变应力的循环次数可达1 0 8 次 之多，这将造成结构的疲劳损伤。交变载荷导致结构的交变应力，结构的疲劳损伤来自 于交变载荷的作用，因此，对于非循环载荷，如流力、风力等，都不予考虑。 2 1 波浪理论和m o t is o d 方程 波浪理论的选择，应根据水深、波高和波浪周期，做适当的选择，可参照图2 1 所 示曲线。对于一般工程计算，s t o k e s5 阶波( 满足定义域情况下) 可以获得较好的计算 精度。本文选用s t o k e s5 阶波波浪理论进行波浪载荷计算。 作用于直立主体任意高度z 处的水平波浪力采用m o r i s o n 方程计算： h = d 七 l = 去c d 户彳蚝i 虬i + p 此譬 汜1 ) 么 “f 式中的。和竺分别为主体轴中心位置任意高度z 处波浪水质点的水平速度和水平加 d f 速度；a 为单位柱高垂直于波向的投影面积；为单位柱高的排水体积；p 为海水密度； c d 为垂直于柱体方向的拖曳力系数；c m 为质量系数。 方程中的拖曳力是按真实粘性流体的定常均匀水流绕过柱体时，对柱体的作用力进 行分析得到的，而惯性力是按理想流体的有势非定常流理论分析得到的，两者没有共同 的理论基础。因此，将他们进行迭加是缺乏根据的。虽然存在上诉缺陷，但目前还没有 找到一个更好的方程取代它。几十年在工程上应用的经验表明，它尚能给出满意的结果， 因此m o r i s o n 方程仍是小尺度结构物上波浪力计算的主要方法。 3 0 岛 大连理工大学硕士研究生学位论文 二“ ：品j j ：0 0 ! ： 搿臻 z 6 1 2 - - ：“ 蜘二虻_ 了q i 强“：刁t 讣 铂，“t f l m ： 箕“，d c 勺 鸟 ：訾 公 二_ i 鄢椎： ， ， ：；t 豆e a 可了0 t l 【) t | ( = j i ：! 篮黔置 o y s t ，1 1 庀：x ( 叮“ n ：孵 煽二0 ：= zj ：墨；矗r 二# ：e 野 ，戮妫麓。 五瓦蕊址1 7 。阱哪p ? ( i 1 ：n o 口付l ，= 辨协母扣g q 借一蝴吐c t “t 新t 岣口f 州r 钿；一 zw a e ”w 仃“啦r 0 “l 叮i n ：坤l ；hh a o e 0 一：蟾 v 口俺。：娜q ，w 再崎：矿e h 们7 1 r 群嗽急，o 肝：钟 ：h c 竹憎rf 僦? t “m a fh 蜘# p 0 j = 识别r 口，中i 州们n 的a i i i 瓤i l ，o ，旷删岫删n ；c 嚣c u j o n j 0 婶 宁。t n j 7 t 叼r j 并甜坤0 a 谢啪i 洲，：；l 旧册j ! o m i 啦圳符，f ；曩p 。蚶j 拍 $ m 0 移n 耐即a 珥x 暇：r 砖掣 强舰f 咕啪帅；：r 0 = 口= 唰口r 岫正0 却l h p 憎d ，“e 驯r4 j ，：i 钾 c 孵喇 y 掣j “她口 6 二 i 屯d t o ，0 竹粥：o 恤衢罩样；确的柑 。巾h i h 气h i ：n 邮哼i 蛐噜协。口t z o 缸t 竹，：1 k 蝴j d 浙e 雠* 鲥3 ，咐函即l w 搿船怕? 0 5 。咻d 矿审矿o r # d “= r ， 舶1 f 哪晰= 唧i * r 口知一，! h 钾郇5 啪韶铆扣讲蕾 _ 科c 坼h y1 5 懈u 锚棚 ：h 粕h u 绀”“埘毗 - 0 押e ：# 洲；or a o h 帽e t 翮 w 4 竹。世寸：f o 口筝：= p u 鲥 = 陟“- ，- j d 崎? 州 ，r ， n ；rc 妇0 廓 “4 w m a h _ co 孽h ( 蹦鼬i 母粕 c 憎甜j ， 衄l 乎m 0 d 私脚 图2 1 波浪理论适用范围 f i g 2 1r a n g ea n dv a l i d i t yo fd i f f e r e n tw a v e 2 2 桩腿的水动力模型 t h e o r is ef o rr e g u l a rw a y e s 桩腿的水动力模型，可以有两种形式。详细模型( d e t a i l e dm o d e l ) ，所有相关 构件都按照各自的尺寸和方向计算流体速度和加速度，计算和，从而计算波浪力； 1 2 ，tj-i 荪r厶9 一 亍一 一一 大连理工大学硕士研究生学位论文 等效模型( e q u i v a l e n tm o d e l ) ，所有桩腿的相关构件都统一为一体，计算等效的c d 。和 c 胁，计算方法如下。 等效拖曳力系数c d 。和桩腿的水动力模型的等效直径d 。可由下式决定： c o p d 8 = d e c d “ ( 2 2 ) 每个构件的c & ，的计算： s i n 2 ”o s 2 屈s i n 2a ： 兰巳，筹 ( 2 - 3 ) 其中： c d t ：每个构件的拖曳力系数； 口：第“i ，个构件的直径； 眈：桩腿的等效直径，可以计算为( 研t 引； f f ：第“i ，个构件的长度( n o d et on o d e ) ； s：计算桩腿的长度( o n eb a yo rp a r to fb a y ) ： 图2 2 等效桩腿计算示意图 f i g 2 2f l o wa n g l e sa p p r o p r i a t et oal a t t i c el e g 等效拖曳力系数c 胁和桩腿的水动力模型的等效直径彳。可由下式决定： 4 = a e ， ( 2 4 ) 大连理工大学硕士研究生学位论文 其中： 4 = 4 几：桩腿等效截面积： 4 = 万研4 ：构件“i ，的横截面积： c m e l 1 1 + ( s i n 2 屈s 2 屏s i n 2 口, 慨_ 1 ) 箬 l m r ：构件“i ”的惯性力系数，光滑构件可取2 ，粗糙构件可取1 8 。 根据结构图纸，计算获得等效的惯性力系数及粘性力系数： c n = 0 8 5 2 1 2 9 c m = 0 m 7 8 1 3 4 3 d = c no = 13 9 5 m d35 6616 c m e d 2 = 4 5 6 1 5 3 9 c m 2 2 3 计算工况 编制程序，计算沿水深分布的波浪力；计算在7 2 个相位角情况下作用于平台桩腿 上的波浪力相对泥面的总倾覆力矩( 0 t m ) 。在7 2 个相位角情况下的0 t m 中，检索出最 大的倾覆力矩和最小倾覆力矩。单元的名义应力范围值就通过最大倾覆力矩和最小倾覆 力矩作用情况下计算得出。 波高与应力范围值之间的关系可以用二次多项式描述，如果仅用线性关系描述，也 满足工程需要的精度。选取3 6 6 m 有义波高进行计算，以获得波高与应力范围值线性关 系的斜率。计算工况如表2 1 所示。 由于目标平台有三个设计工作水深，对应不同水深，表2 1 所列1 0 2 个工况都要进 行计算，合计工况3 0 6 个。即3 个工作水深3 个波浪入射角度x1 7 个波浪周期x2 。 1 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 表2 1 计算工况 t a b 2 1l o a d i n gc o n d i t i o n s w a v e l o a dc a s e $ p e r i o d 0 。h e a d i n g6 0 。h e a d i n g9 0 。h e a d i n g t ( s e c ) m a x o t mm i n o t mm i n o t mm i n o t mm i n o t mm i n o t m 4 5 0123 5 3 6 6 97 0 4 7 6343 73 87 17 2 5 0 5563 94 07 37 4 5 3 8784 14 27 57 6 5 7 591 04 3 4 4 7 77 8 6 1 71 11 24 54 67 98 0 6 6 71 31 44 74 88 18 2 7 2 51 51 64 95 08 38 4 7 9 41 71 85 15 28 58 6 8 7 71 9 2 05 35 4 8 7 8 8 9 8 0 2 l2 2 5 5 5 6 8 99 0 1 1 1 1 2 32 45 75 89 19 2 1 2 8 22 52 65 96 09 39 4 1 5 1 52 72 86 16 29 59 6 1 8 5 22 93 0 6 36 49 79 8 2 3 8 l 3 13 2 6 56 69 91 0 0 3 3 3 3 3 3 3 46 7 6 81 0 1 1 0 2 2 4 程序说明 m a t l a b 软件由于其语言简单、函数库庞大、算法模块成熟成为较为流行的数学软 件，本计算应用该软件编制计算程序。 以下对附录波浪力计算程序的各组成部分给予简单介绍。 由于s t o k e s5 阶波的计算公式十分复杂，不能够获得确定周期波浪的波长解析解， 因此根据迭代算法编制了方程求解程序。附录a 1 的波长迭代求解程序是对二元高次方 程组的求解，在应用迭代法求解的过程中，由于是对波面搜索数据，所以造成计算量庞 大，解的收敛性判断困难。为此，首先研究了s t o k e s 波的特点，了解周期范围与波长 值范围的定性关系，与有解析解的线性波数据进行比较，确定了解的迭代搜索范围和步 长，从而使程序能够很好地保证解的收敛性和唯一性，又缩减了搜索域范围。 大连理工大学硕士研究生学位论文 获得波长后，某一波面高度下质点的速度和加速度便可由s t o k e s5 阶波的波浪公 式求得解析解，进而带入m o r i s o n 方程中求解波浪力。附录a 2 所示程序完成该项工作， 获得某一高度下单位长度桩腿所受波浪力，即确定了波浪力沿桩腿深度方向的分布。 附录a 3 程序，对a 2 程序中计算得出的单位长度波浪力进行关于泥面处的一阶矩 积分计算，即计算对于泥面处的总倾覆力矩，以5 度为步长计算不同相位角作用下的倾 覆力矩，从而获得最大倾覆力矩和最小倾覆力矩的值及其对应相位角。 1 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 3j u 2 0 0 0 e 型平台结构管节点热点应力计算 对平台结构的强度分析目前广泛采用有限元分析的方法，利用计算机计算结构 的应力和节点位移。根据相关图纸建立j u 2 0 0 0 e 型自升式钻井平台结构的有限元模 型，施加波浪载荷，对1 0 2 3 个载况进行有限元分析，获得名义应力范围值，为管 节点的疲劳分析做准备。 3 1 名义应力与热点应力 通常把管节点中应力最大的点称为热点，相应的最大应力称为热点应力。对于管节 点中实际的热点位置及相应的热点应力要通过数值分析或模型试验来确定。 管节点的应力集中系数定义为节点中热点应力与支管名义应力之比，即： s c f = 仃m x 仃仃 式中：u m a x 一热点应力，主管周向的最大应力，或支管轴向的最大应力； ，r 。刀一支管的名义应力，按材料力学的梁理论求得； s c f 管节点的应力集中系数。 节点的应力集中系数就是热点应力集中系数，反映了热点应力集中的程度。它的大 小与管节点几何尺寸、材料、焊接工艺( 主要通过焊接残余应力表现出来) 、制造工艺 和加载方式等有关。热点应力取决于管节点结构的几何形状，用简单的薄壳有限元法所 得到的计算结果与实测比较一致，所以普遍认为选用热点应力为设计应力是比较合理 的。 本计算中采用梁单元模拟实际桩腿结构，由于梁单元无法模拟支管与弦管之间 不连续的几何过渡，因此获得的应力为名义应力。应用应力集中系数( s c f ) 对名义 应力进行修正，获得热点应力。名义应力法与热点应力法的区别简要整理如下表所 示： 1 7 大连理工大学硕士研究生学位论文 表3 1 两种方法的比较 t a b 3 1s u m m a r yo ft w od i f f e r e n ta p p r o a c h e s 方法名校核疲劳所 描述疲劳强度 所用的s n 曲主要的优缺点备注 称用的应力 线 应力计算最简单； 名义应s n 曲线对应于给计算精度取决于s - n 曲线 在船舶疲劳校 盯2 盯n 核中常用的方 力法定节点型式的选择； 法 需要的s - n 曲线很多。 k c 的计算又一定的工作 量； 需要的s - n 曲线数目较少； 晦洋平台疲劳 热点应 d r = k g a ， s - n 曲线对应于 k s 与k w 的分离有时比较 校核常用的方 给定焊接方式 力法 困难： 法 热点附近的应力并不总是 线性分布，这样就与单元类型 和大小有关。 3 2 平台有限元建模及分析 整个平台主体结构采用空间梁结构力学模型，如图3 1 所示。整个平台有限元模 型节点总数7 7 9 1 9 个，单元总数6 9 7 3 7 个；其中，用于模拟船体质量分布的质量单元4 9 8 个。对于弦管，采用b e a m 4 单元模拟；支管采用p i p e l 6 单元模拟。 平台的模型反映了平台的质量、刚度等主要的分析参数。质量包括平台钢结构、 所有附属构件、甲板荷载、水下构件的附加水质量。附加水质量按垂直于个别结构 框架构件和附属构件的纵轴线运动的排水质量进行计算。对于沿着结构框架构件和 附属构件的纵轴线的运动，附加质量可以忽略。 甲板设备、阳极等附属构件通过质量单元进行模拟。 平台的浮力通过改变水下构件密度来实现。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图3 1j u 2 0 0 0 e 型平台结构有限元模型、边界条件和波浪力 f i g 3 1f i n i t ee l e m e n tm o d