（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）半潜式平台管节点强度评估方法研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 管节点作为半潜式平台中一个复杂而薄弱的环节，对其进行强度评估是 十分必要和有意义的。目前，各船级社关于管节点强度评估的内容均比较笼 统，很多细节不是很明确。本文将结合l i u h u a 。f p s 半潜式生产平台，对a b s 规范关于管节点屈服强度、极限强度和疲劳强度评估的方法进行研究，给处 一套合理有效的解决方案，其主要内容如下： 1 ) 论述半潜式海洋平台的产生、分类和结构特点。运用典型事故说明管 节点强度评估在平台强度评估中的重要性。对管节点强度评估的两种 方法，即局部模型方法和嵌入式模型方法进行研究，分析了嵌入式模 型方法的实用性； 2 ) 研究a b s 海洋工程相关规范中的有限元强度评估内容，建立平台有 限元模型，对平台结构应力进行了计算分析； 3 ) 依据a b s 规范，运用上述计算结果进行管节点极限强度评估。对评 估过程中的一些关键问题，诸如确定管节点、管节点类型判定等问题 进行研究； 4 ) 基于管节点s - n 曲线、线性疲劳累积损伤理论和热点应力法，研究了 管节点疲劳强度评估的谱分析法，对实际平台节点结构进行了计算分 析。 关键词：半潜式平台；管节点；屈服强度；极限强度；疲劳强度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n ec o m p l e x 。a n dw e a kc o m p o n e n ti ns e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r m s ，t h e s t r e n g t ha s s e s s m e n to ft u b u l a rj o i n t si sv e r yn e c e s s a r ya n dv a l u a b l e a tp r e s e n t ， t h ec o n t e n to nt h et u b u l a rj o i n t sa s s e s s m e n to fe v e r yc l a s s i f i c a t i o ni sg e n e r a l ， m a n y d e t a i l sa r en o tc l e a r c o m b i n i n gl i u h u a - f p sp l a t f o r m ，t h em a j o rp u r p o s eo f t h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h em e t h o do ft h ey i e l d i n gs t r e n g t h ，u l t i m a t es t r e n g t ha n d f a t i g u es t r e n g t ha s s e s s m e n to ft h et u b u l a rj o i n t sa c c o r d i n gt ot h ea b sr u l e s 髓e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) d i s c u s s t h e n a i s s a n c e ，c l a s s i f i c a t i o n a n ds t r u c t u r a lf e a t u r eo f s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r m t h ec r i t i c a la c c i d e n t sa r eu s e dt os h o wt h e i m p o r t a n c eo ft h et u b u l a rj o i n t ss t r e n g t ha s s e s s m e n t d oc o n t r a s ta n a l y s i so ft h e t w os t r e n g t ha s s e s s m e n to ft h et u b u l a rj o i n t s ，n a m e l yl o c a lm o d e lm e t h o da n d e m b e d d e dm e t h o d ，a n da n a l y z et h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h ee m b e d d e dm e t h o d 2 ) s t u d yt h em a t e r i a lo nf es t r e n g t ha s s e s s m e n to fa b so f f s h o r er u l e s c a r e f u l l ya n db u i l dt h eg l o b a lf em o d e lo f t h ep l a t f o r m ，t h e nt h es t r u c t u r a ls t r e s s w i l lb ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d 3 ) a c c o r d i n gt ot h ea b sr u l e s ，a s s e s st h eu l t i m a t es t r e n g t ho f t u b u l a rj o i n t s 、析t ht h er e s u l t sa b o v e s o m ec r i t i c a l p r o b l e m sw i l lb es t u d i e d ，s u c ha s c o n f i r m a t i o no f t h et u b u l a r j o i n t sa n dd e t e r m i n a t i o no f t h et u b u l a r j o i n t st y p e 4 ) b a s e do ns - nc u r v eo ft u b u l a rj o i n t s ，l i n e a rf a t i g u ea c c u m u l a t i v ed a m a g e t h e o r ya n dh o ts t r e s sm e t h o d ，t h es p e c t r a lm e t h o do ft h et u b u l a rj o i n t sf a t i g u e s t r e n g t ha s s e s s m e n tw i l lb es t u d i e d ，a n dt h et u b u l a rj o i n t so ft h ea c t u a lp l a t f o r m w i l lb ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：s e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ；t u b u l a rj o i n t s ；y i e l d i n gs t r e n g t h ；t h e u l t i m a t es t r e n g t h ；f a t i g u es t r e n g t h 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：型望 日期：硼寥年月罗日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 半潜式平台的很多结构是由钢管焊接而成，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。由于大部分海洋平台管节点 都为焊接结构，考虑焊接工艺的特点，焊缝材质是不均匀的，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，因此节点抵抗 破坏的能力就有所不同，而且焊缝本身不可避免地存在各种缺陷。此外，海 洋平台结构复杂、体积庞大、可变载荷较多，所处环境条件复杂而恶劣，承 受着多种随时间和空间变化的随机荷载，包括波浪、海流、风、潮汐及海冰 等以及各种荷载引起的联合作用。而管节点结构又是平台结构中的一个薄弱 环节，连续的风浪载荷、海水腐蚀、突发性的结构构件损伤，都能引起海洋 平台管节点产生强度不足和疲劳破坏【l 】，整个平台的结构破坏常常是由管节 点处首先出现并最终导致整个平台结构的破坏。 历史上曾有多次海洋平台事故是由管节点脆性破坏或疲劳断裂破坏引起 的，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。例如，1 9 6 5 年英国北海的“海 上钻石”号平台支柱拉杆脆断，导致平台沉没；1 9 8 0 年北海e k o f i s k 油田的“亚 历山大基而兰”拉杆疲劳断裂，导致平台沉没。 海洋平台管节点强度评估是一个复杂的系统工程，涉及到海洋结构物的 设计分析、结构分析和载荷计算等多个方面，如何处理其中的多种矛盾，做 出正确的决策是很有意义的。目前，各国船级社规范关于管节点强度评估内 容的定义均比较笼统，很多细节不是很明确。本文的目的是全面理解和掌握 半潜式海洋平台管节点强度评估的原理和具体方法。在此基础上，以 l i u h u a f p s 半潜式平台为例，按照a b s 规范对该平台管节点进行屈服强度、 极限强度及疲劳强度评估，对规范所涉及的原理进行深入研究，重点对采用 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 有限元法进行半潜式平台管节点强度评估的一些关键因素和环节给出合理、 有效和简便的解决方法。继而，提出一套完整的评估流程，为以后进行管节 点强度评估提供参考和依据。 1 2 课题研究现状 1 2 1 管节点研究现状 半潜式海洋平台要在十分复杂和恶劣的海洋环境中长期工作几十年，这 就要求这种结构必须具有良好的抵抗风、浪和流作用的流体动力特性2 1 。由 于圆管具有良好的流体、结构性能，所以圆钢管焊接结构就成了半潜式海洋 平台结构的一个常用形式。这些圆钢管的交汇处就形成了各种类型的平面或 空间管节点。目前所作的研究，主要是考虑弦管和撑管轴线在同一平面内的 简单管节点，如t yk ，x 型等。对管节点的各种性能进行深入研究，对于海 洋平台的安全生产和使用具有极大的意义。综合国内外的研究工作，对管节 点的研究内容大致可以分为以下几个方面i l j ： 1 ) 管节点极限强度研究； 2 ) 管节点的疲劳强度研究； 3 ) 管节点应力集中系数研究； 4 ) 管节点应力分析； 5 ) 焊接管节点海水腐蚀试验研究 6 ) 管节点制造工艺研究； 7 ) 管节点疲劳寿命的断裂力学分析方法研究； 8 ) 管节点维修和加固方法研究。 1 2 2 管节点极限强度研究 管节点极限强度研究，也就是对管节点的极限承载能力的研究。计算管 节点的极限强度主要是为了验证节点部位弦杆管壁强度或确定需要加厚的管 壁厚度。尽管管状接头遭受最大设计静载荷的概率很小，百年难遇一次，但 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 - -i n | r _ 是在平台强度的评估过程中，还是必须对管节点的极限强度进行评估。 世界各国对管节点的极限承载能力作了大量的试验和规定，美国焊接学 会( a w s ) 焊接结构规范、美国石油学会( a p i ) 、日本建筑学会、欧洲钢结 构设计规范、中国钢结构设计规范等，都对管节点的构造和节点极限强度建 立了系统的公式。从5 0 年代至今，许多学者对管节点的静力性能进行了研究， 提出了许多有价值的研究方法，这些方法可归结为试验研究和理论分析两大 类。 a ) 试验研究 管节点受力以后，撑管和弦管连接处的应力十分复杂。即使管节点个别 应力集中处进入屈服阶段，整个管节点并不出现明显的强度和刚度的退化， 在继续承受相当大的载荷以后，塑性区才开始逐渐扩展，直到节点达到极限 破坏状态。此时，极限载荷因管节点的几何参数不同而不同，有的甚至可以 达到数倍f 3 】【4 】【5 】的初始屈服载荷。因此，用弹性方法求解特殊点达到屈服强度 来确定节点的强度是行不通的。在分析手段，不能全面把握结构性能的情况 下，节点的结构性能仍主要通过试验研究得到。 鸳尾健三在1 9 6 1 年，进行了8 组共2 4 个钢管节点的试验研究，其中最大 弦管直径为5 9 8 m m 。最早提出了k 形节点试验研究的方案和关于节点形状 与极限强度的定性关系。金谷弘在1 9 6 5 年，进行了一系列试验研究，主要对 象是2 8 个t 型管节点，及五个x 型管节点和三个桁架中的k 形节点。根据 试验得到的实际破坏模式，对t 型管节点及x 型管节点采用了圆环模型( r i n g m o d e l ) 进行模拟并推出了设计计算公式。 1 9 6 5 - - - - 1 9 8 5 的二十年间，针对不同目的，在世界范围内开展了大量试验， 涉及不同形状参数、不同荷载工况( 拉压轴力、面内外弯矩) 、不同节点型式 以及静力强度、疲劳强度、塑性变形能力等。如前面所提试验，限于经费与 设备，大部分管节点试验是采用小型节点试件或缩尺模型，还有采用有机玻 璃的光弹模型的。 1 9 7 7 年，k u r o b a n e y 对7 3 个x 型管节点试验结果，采用r i n g 模型， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 引入特定系数，回归得出极限强度计算公式，对5 0 个t 型节点进行多重回 归得出公式，对3 9 8 个广义k 型管节点( 包括了t 型、y 型节点) 的试验结果 反复假定回归系数，得到极限强度计算公式。这些公式包含了弦管直径 d = 6 0 - - 5 1 0 m m ，材料屈服应力f ，= 2 6 5 - - 4 9 0 m p a 的所有管节点。由于覆盖面 较广，精度较高，其结果被各种规范广为引用 1 9 8 1 年y u r a 6 】等人撰文讨论了冲剪应力存在的问题，对1 9 7 9 年前的试 验数据作了分析，指出一些试验中的节点模型太小，很难适当模拟焊缝及局 部性能，尤其有断裂发生的节点性能。许多试验没有测量材料特性，仅给出 最小规定的屈服强度，钢管材料实际屈服强度超过规定值2 0 是相当普遍的。 y u r a 同时也指出许多试验缺乏变形数据，如果变形很大，那么对节点起控制 作用的将是挠度而不是荷载。在一些情况下，是构件而不是管节点破坏。y u r a 在此基础上根据试验分析的结果提出了节点的达到极限强度的极限变形准 则。这种极限强度判别准则是基于大量试验的结果得出的。y u r a 认为在管节 点承受轴向力的强况下，如果沿着撑管的应变达到4 倍的屈服应变占一那么 管节点达到极限状态，此时对应的载荷即为管节点的极限强度。 1 9 8 2 年日本学者k u r o b a n e 等人指出，由于节点形状的复杂，由纯分析 法估计节点极限承载力是不切实际的。他们根据7 4 7 个x 、y 、t 、k 型节点 的试验数据，使用简单的力学模型，运用多元回归方法给出了节点的极限强 度公式。 1 9 8 5 年以后，研究者们开始注意节点试验中的支座条件、试件长度效应、 节点的使用环境对破坏荷载的影响等等。 1 9 9 4 年日本学者p a u l 在5 8 个空间t t 和k k 管节点试验结果的基础上， 使用多元回归分析得到空间管节点极限承载力公式，并指出事实上空间相互 影响相当大。近年来c o r e r 等人连续撰文讨论了一个建立在有限元法基础上 的用于焊接管节点分析的新模型，该模型使用壳元、块体元和过渡元，考虑 了大变形和弹塑性，用连续介质损伤力学方法模拟裂缝的形成和扩展，并在 此模型参数分析的基础上建立了一种修改的环模型。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 9 9 4 年l u e t f i t7 j 也基于试验提出了管节点极限变形准则。这种极限变形 准则可以判别管节点在承受轴向力以及弯矩下的极限强度。基于撑管和弦管 连接部位的变形，将节点的强度分为两种：极限强度m ，和适用强度眠。当 弦管的凹坑变形达到。= o 0 3 a o ，认为管节点达到了极限强度；当管节点弦 管的凹坑形变达到，= o 。0 1 反，认为管节点达到了适用强度。l u e t 。a 1 还指出， 如果节点载荷形变曲线出现的第一个峰值小于变形极限。= o 0 3 a o ，那么峰 值所对应的载荷即为节点的极限强度。如果m ，。 - 1 5 ，那么考虑节点强度可以以极限强度 为标准。对于圆管空心节点l 。卜1 5 ，所以适合的强度判别准则为 。= o 0 3 d o 。l u e t a l 已经对多种形式的管节点验证了这种极限强度判别准 则，而且在节点承受轴向压力的情况下，极限强度与载荷变形曲线的第一个 峰值吻合地很好。 在这以后，试验的内容和对象更加广泛。目前为止，在删除了一些过小 尺寸规格的试验结果以后，世界上已有1 0 0 0 多个管节点试验结果的数据库。 b ) n 论分析方法与主要成果 管节点理论分析方法较多，可分为试验统计法、薄壳理论法、简化分析 法( 包括截面法、环模型法、冲剪应力法、有效宽度法、塑性铰线法、弦杆壁 承压模型法、弦杆受剪模型法等) 、有限元法及半解析数值法等。 ( 1 ) 试验统计法 试验统计法是建立在试验研究基础上的一种方法，通过对大量试验数据 的统计分析，得出经验公式，是设计公式建立的一种基本方法。但是，由于 节点型式和各种参数的复杂性，这些公式的使用范围是受到限制的。对管节 点进行弹性分析所采用的方法有薄壳理论法和线弹性有限元法。早期对圆管 节点的应力分析都是采用薄壳理论方法，之后则采用了线弹性有限元法。非 线性有限元法，截面法和塑性铰线法主要用在管节点的极限状态分析上。截 面法求得节点承载力为下限值，塑性铰线法为上限值。尽管在理论上塑性铰 线法求得的值为上限，但如果忽略了材料应变硬化、大挠度等一些有利因素 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的影响，所求得的承载力值可能小于实际的极限承载力。随着计算机技术的 发展，一些学者开始采用非线性有限元技术分析管节点，在程序中考虑材料 和几何两个非线性因素的影响，求解节点受载的全过程曲线，近年也有一些 学者开始探求用半解析法求解管节点。 ( 2 ) 有限元法 由于圆管节点问题的复杂性，有限元法曾被认为并不可靠 2 1 。但随着最 近这些年计算机硬件和软件技术的迅猛发展，有限单元法重新受到了越来越 多的关注。国外甚至专门研制了计算、图形处理钢管结构的应用程序。在准 确建立有限元模型方面，积累了一些经验和成果，如焊缝影响采用引入三维 固体元的方法模拟等。 ( 3 ) 塑性分析方法 屈服线理论是基于极限分析理论专门对板壳结构进行极限承载力分析的 方法。极限分析理论因假设材料为钢塑性，只考虑结构的极限状态，使得问 题的求解大为简化，但结果仍能较好地反映出结构实际的极限承载能力，具 有很大的实用性。因此，在本世纪初以来，极限分析理论得到极大发展，在 连续梁、框架、板壳等结构中得到广泛应用。在板壳结构分析中，则专门发 展为屈服线理论【引。屈服线理论较多地应用在钢筋混凝土结构中，近年来， 也逐渐在钢结构薄壁结构中得到发展，在一些方型管节点中，屈服线理论的 应用已经形成一定体系。日本规范中方管节点主管翼缘变形破坏模式的设计 公式，就是建立于屈服线理论基础上的。但由于圆管节点几何构造上的复杂 性，破坏机构的寻找与确定非常困难。对最简单的x 型节点，已有学者探索 使用屈服线理论进行求解，结果与试验的经验公式比较，证明有良好的精度， 国的学者在圆管节点的研究方面也做了不少有益的工作。陈继祖、陆化 普在剖析各国规范中关于管节点极限承载力公式及影响节点强度的主要因素 基础上，根据我国规范设计原则，并考虑国产材质和节点焊接条件，提出了 设计承载力公式。杨国贤、陈廷国等用等效单环法给出拉载作用下t 型节点 的承载力公式，该公式能根据不同变形要求求得管节点的静承载力，与试验 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结果较为吻合。云大真等人采用拟协调元方法 9 1 ，直接在圆柱坐标上构造一 拟协调三角形圆柱壳单元，采用多重子结构法计算，对t 型管节点进行应力 分析，并与试验结果对比得到一些有益的启示。陈铁云研究了半解析法求解 管状接头应力，该法与有限元法相比具有计算工作量小，前处理简单，内存 要求低，简便易行等优点，但此法不能反映接头相贯线附近壳体的三维性以 及焊缝的存在。武振宇，张耀春等人对直接焊接钢管节点静力工作性能【l o 】有 较深入的研究，对管节点有待研究的问题指明了道路。陈以一、沈祖炎和虞 晓华等人提出了一个基于塑性极限理论的分析模型。刘建平，郭彦林等人在 用计算机对管节点进行极限承载力有限元分析方面【l l 】做了较多工作。 1 2 3 管节点疲劳强度研究 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，并取得了大量的研究成 果。其中各船级社如d n v 、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。c h e n g 1 2 l 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，建立了基于国 产z 向钢基础的s - n 啦线和t 型管节点的热点应力公式【1 4 】。另外，姚木林、 石理国【1 4 】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 o r g a n 和l e e 1 5 1 司应用薄壳单元对 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，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) 管与支管相贯线 上各关键点的s c f 参数方程。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 l l 9 - 2 1 也用薄壳单元分别对t ，yx 和d t 型 7 哈尔滨工程大学硕七学位论文 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 2 2 1 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，k a r a m a i l o s 【2 3 】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。 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 锄a n o s l 2 4 j 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 2 5 - 2 6 1 应用2 0 节点三维块 元对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 t 2 7 】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， 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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 z 8 1 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 9 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 l tb e r g 3 0 】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 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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。 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。 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 作出客观的反映。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。在船舶与海洋工程及海洋 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。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i | i 皇置| i 暑宣暑i i i i i 毒置葺肓i i i 嗣葺葺置置i 目宣_ i i1 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。 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p 。 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、热点应力法、切1 2 1 应力法和切口应变法【3 2 1 。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m i n e r 线性疲劳累积损伤假设。 虽然m i n e r 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m i n e r 。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m i n e r 法则在工程中仍然被广泛使用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 一 = i i 昌重叠 1 3 本文完成的主要内容 1 论述半潜式海洋平台的产生、分类和结构特点。运用典型事故说明管 节点强度评估在平台强度评估中的重要性。对管节点强度评估的两种 方法，即局部模型方法和嵌入式模型方法进行研究。 2 研究a b s 海洋工程相关规范中的有限元强度评估内容，并根据规范 的规定，建立平台有限元模型。管节点处采用嵌入式方法直接建立细 化模型，该模型将用于后续的管节点极限强度和疲劳强度评估。对平 台进行结构应力分析，计算结果将用于管节点极限强度评估。 3 依据a b s 规范，运用上述计算结果进行管节点极限强度评估。对评 估过程中的一些关键问题，诸如确定管节点、管节点类型判定等问题 进行研究。 4 管节点疲劳强度评估结合波浪长期分布统计资料，采用谱分析法 分，基于m i n e r 线性疲劳累积损伤准则，计算选定疲劳节点的寿命， 选取疲劳寿命最小节点的寿命作为管节点的疲劳寿命。对于疲劳评估 中的关键问题进行了研究。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章管节点分析方法研究 2 1 概述 管节点是半潜式平台中一个十分重要且薄弱的环节，对其强度进行合理、 有效的强度评估是十分必要的。 本章将首先简要地说明半潜式平台的产生、种类及其结构特点，并给出 半潜式平台由于管节点强度破坏而造成的几个灾难性事故，以说明管节点评 估在半潜式平台强度评估中的重要性和必要性。 管节点强度分析是一项十分复杂的工作，选择正确的方法和分析手段是 得到准确分析结果的前提。管节点的分析方法很多，目前广泛采用地是有限 元方法。采用这种方法时，准确地建立有限元模型是得到精确分析结果的保 证。本文按照建立有限元模型方法的不同，将管节点分析方法分为两种：一 种是局部模型法，此方法比较常用，是一种传统的管节点分析方法。另一种 方法是嵌入式模型方法，即在整体模型中就将管节点结构直接用板壳单元模 拟的一种方法。 l i u h u a f p s 半潜式平台中有大量的管节点结构，采用正确、合理的建模 方法直接关系到计算结果的准确性。所以在开始分析之前，本章结合l i u - f p s 半潜式平台中的典型管节点结构对这两种方法进行分析对比，研究二者之间 的差异，进而确定采用何种方法进行分析。 2 2 半潜式平台简介 2 2 1 半潜式平台的产生及分类 伴随着海洋石油开发事业的发展，尤其是深海油气资源开发的需求， 为了克服自生升式、坐底式等平台存在的缺点，使之既能在深水作业又有较 高的作业效率和可操作性，在1 9 6 2 年出现了第一艘半潜式钻井平台。这种平 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 11一i ll l墨ii 暑i 萱置嗣皇童皇暑鼍- 暑葺i 昌i 岛 台的基本结构形式和坐底式相似，是由坐底式演变而来的1 3 3 j 。 半潜式和坐底式平台统称为柱稳定式平台。坐沉在海底的平台称为坐底 式平台；浮在水中的称为半潜式平台。随着海洋石油开发的发展，作业海域 已延伸到更深的海域，在深海中使用受水深限制的自升式平台和坐底式平台， 己难以完成钻井和生产作业；由于钻井船在更开阔的海域摇摆较大，故作业 率很低；所以摇摆性能好，在相当深的海域能进行钻井和生产作业的半潜式 平台就应运而生。这种平台用若干根立柱或浮筒将下部结构的浮筒和上部结 构的甲板联结起来，甲板上则装备与其他形式平台一样的各种机器、器材及 居住设备。 半潜式平台有三角形、矩形、五角形和“v ”字形之分。三角形半潜式平 台以美国“s e d c o ”型为代表，矩形半潜式平台以挪威的“阿克”h 型或日本的“白 龙”型为代表，五角形半潜式平台以法国设的带五个浮筒的“五角8 1 ”、“五角 8 2 ”和“五角8 3 ”型为代表 3 4 1 。图2 1 给出了几个典型半潜式平台。 图2 1 典型的半潜式平台 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本文所分析的l i u h u a - f p s 平台为矩形半潜式平台。该平台为双纵向浮 筒及双横向浮筒结构，同时有很多的撑管结构，同图2 1 中的双浮体半潜式 平台十分类似。作业时，平台的浮筒处于水线面以下，只有立柱的横截面处 于水面，所以平台的水线面面积很小，使整个平台在波浪中的运动响应较小， 稳定性好，因而具有出色的深海作业能力。一般在作业海况下其升沉不大于 土1 1 5 m ，水平位移不大于水深的5 6 ，平台的纵横倾角不大于士2o 3 0 【3 5 1 。这种特性对漂浮于水面的作业平台具有十分重要的意义。 半潜式平台可采用锚泊定位和动力定位，锚泊定位的半潜式平台一般适 用于2 0 0 m - - , 5 0 0 m 水深的海域内作业，现在一般来说最大水深可以达到 1 5 0 0 m 。当水深大于1 5 0 0 m 时，锚泊定位以不能满足作业的要求，这时就必 须采用动力定位系统，以保证平台的正常工作和人员的日常生活。 2 2 2 半潜式平台结构特点 半潜式平台主体结构由三大部分组成：即上层平台结构、浮筒、立柱和撑 管。平台的结构形式不同，它的组成也不同，目前具有代表性的三种结构形 式为三角形、五角形和矩形。三角形平台与其它平台相比，结构形状简单、 重量轻，但因其立柱下部采用靴式，下部结构复杂，撑管较多，管节点建造 困难：而五角形平台结构复杂，重量也会增加，从施工建造考虑，它们都比 矩形平台困难。五角形平台的优点是具有优良的稳性，不论波浪来自何方， 结构受到的载荷相差不大。但是目前建造及使用较多的仍是矩形平台。 2 2 3 管节点强度破坏事故 由于管节点强度问题所导致的半潜式平台破坏事故屡见不鲜，其中以 1 9 8 0 年“亚历山大基尔兰”号( a l e x a n d e rl k i e l l a n d ) 半潜式平台( 挪威) 失事最 为典型。 事故分析表明，平台破坏的主要原因是焊接在平台的撑管上的声纳基座 与撑管的连接焊缝质量很差，在该焊接处产生了一条长达7 0 m m 的裂纹，这 个现象在后来在建造的其它同一类型几个平台中也有发现。在使用过程中， 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 该处裂纹迅速扩展，从而使平台的d 6 撑管( 焊有声纳的) 开始发生疲劳断裂， 接着支撑整个立柱的其它五根撑管也因过载而断裂，导致d 立柱彻底破坏而 掉入大海，平台倾斜至3 0 0 3 5 0 ，大约在2 0 分钟内平台继续倾侧和下沉直至 完全倾覆。事故发生时海上气候恶劣，能见度差，风速约1 6 - - 一2 0 m s ，波高6 1 0 m 3 6 1 。 在比其更早的美国“s e d c o1 3 5 ”三角形半潜式平台，从1 9 6 5 在墨西哥湾 使用至1 9 6 7 年底就发生了撑管的疲劳破坏，进而导致整个平台失效。1 9 8 2 年“海洋探索者”号( o c e a nr a n g e r ) 半潜式平台( 加拿大) 也是由于管节点强度问 题导致平台坍塌，造成8 4 人死亡。 由这些事故可见，管节点在整个平台中的重要性，故对管节点进行合理 有效的强度评估是十分必要，具有直接的现实意义。 2 3 管节点分析方法研究 2 3 1 局部模型分析方法 局部模型法首先要建立平台的整体模型。在整体模型中，管节点的弦管 和撑管用梁单元模拟。从整体结构计算结果中提取管节点端部位移，作为局 部模型分析的边界条件；然后，进行二次建模，即建立管节点局部模型。撑 管和弦管单元采用板单元模拟，施加边界条件和载荷，重新计算得到管节点 局部的结构响应。图2 2 为管节点局部模型，在端部采用m p c 约束进行模拟。 局部模型法在得到管节点的端部位移，建立管节点局部模型重新分析时， 其理论依据为依据圣维南原理，即认为只在管节点的端部受到端部条件的一 定影响，在较远处模型的响应正常。 2 3 2 嵌入式模型方法 局部模型法需要采取相应的简化和近似，所以必定出现误差。为了克服 这种缺陷，嵌入式模型方法被引入。这种方法不需要重新建立管节点的局部 模型，而是在整体模型中直接将管节点结构用板壳单元进行模拟。对于具有 1 6 较多撑管节构的平台而舌，在建立整体模型时，的确增加了很大的工作量。 同 | 】，撑管和弦管同其他结构的连接处的模型处理也是比较复杂的。 2 33 实例分析 图2 2 管节点局部模型 本文分别按照两剥，方法对l i u h u a f p s 平台l 】的一个典型管节点，选取两 种典型工况进行计算，并对计算结果进行分析。图2 _ 3 26 为两种方法计算 得到的应力云纹图。| i = j 时对于两种方法得到的m i s e s 应力采用曲线进行了对 比，见圈27 、2 8 。 i z 图23 嵌入式模型第一工况应力云纹图 翱i翔=_穗喇j 图2 6 局部模型第二工况应力云纹图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 囊昌葺昌皇薯毒置宣i 叠j 暑宣i 葺暑；置葺暑暑暑i 薯i 置置i 暑宣i i i i 宣蕾皇譬i i ! 叠皇一 为了更为直观的比较两种方法计算结果的差异，选取了管节点相贯线处 的1 7 个节点，对其m i s e s 应力、线位移和角位移进行了比较。计算结果见表 2 1 - - 2 4 。 表2 1 嵌入式模型第一工况计算结果 m i s e s 应力 节点号 r x ( m m )t y ( m m )t z ( m m )r x ( m m )r y ( m m ) r z ( m m ) ( m p a ) 2 3 7 5 2 41 3 9 9 1 4- 1 4 2 8 7 21 5 3 6 21 0 3 4 5 20 0 0 0 00 0 0 0 90 0 0 0 1 2 3 7 6 0 21 3 6 6 1 9 1 4 4 51 2- 1 4 3 l o9 6 9 9 70 0 0 0 10 0 0 0 60 0 0 0 2 2 3 7 6 0 41 0 9 5 6 81