（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自升式海洋平台升降装置疲劳强度分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 海洋平台结构在服役期间承受要f 分复杂的载荷，自升式平台的升降装置 既需要在升降状态下完成桩腿及甲板的升降，又需要在正常工作状态和风暴自 存状态下支撑船体甲板及相关设备，往往承受着高频率的交变载荷。固桩架是 自升式平台升降系统的一4 个重要组成部分，固桩架作为连接桩腿与平台主体的 主要结构，在自升式海洋平台的各种作业状态下均起到传递荷载的作用，所以 升降装置中固桩架出现疲劳失效的可能性较大，必须对该结构进行疲劳强度校 核。 首先，建立胜利作业3 号平台整体空间板梁组合结构有限元分析模型，并 对其在极端波浪条件下进行了静力分析，根据结构强度和规范要求校核平台主 船体结构的静强度。 然后对平台进行了模态分析和动力响应分析，通过模态分析可以得出平台 的自振特性；通过平台的动力响应分析可以得到平台固桩架的应力一时间响应， 从而确定固桩架的危险点，以及危险点的应力一时间响应历程。 最后，在平台进行动力分析的基础上，通过对平台升降装置上危险点的动 力响应结果的分析和处理，采用p s n 曲线方法和线性累积损伤理论计算平台 固桩架的疲劳损伤，并评估固桩架的疲劳寿命，从而估算平台的疲劳寿命。在 疲劳计算中，运用峰值计数法对应力循环进行记数和g o o d m a n 等寿命曲线对非 等幅应力循环进行修正，所得出的计算结果对平台的寿命的估算有一定的指导 意义。 关键词：自升式平台：有限元；动力响应；疲劳损伤：疲劳寿命。 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t o c e a np l a t f o r mm u s tw i t h s t a n de x t r e m e l yc o m p l e xl o a di ns e r v i c ep e r i o d ，o f t e n w i t h s t a n d st h eh i 曲一f r e q u e n c ya l t e m a t i n gl o a d ，b u tt h ee l e v a t i n gg e a ra l r e a d yn e e d st o c o m p l e t et h es p u dl e ga n dt h ed e c kf l u c t u a t i o nu n d e rt h ef l u c t u a t i o nc o n d i t i o n ，a n d a l s on e e d ss u s t a i n i n gh u l ld e c ka n de q u i p m e n ti nt h en o r m a lw o r kc o n d i t i o na n dt h e s t o r m t h es h e l fo ff i x u p l e gi sai m p o r t a n tc o n s t i t u e n to f j a c k u pp l a t f o r mj a c k i n g s y s t e m s h e l fo ff i x u p - l e gt o o kt h ec o n n e c t i o ns p u dl e ga n dt h ep l a t f o r mm a i nb o d y m a i ns t r u c t u r e ，m o v e st h ep l a t f o r mi nt h ej a c ku pu n d e re a c hk i n do fw o r kc o n d i t i o n t op l a yt h et r a n s m i s s i o nl o a dr o l e s ot h e r ei sm o r ep o s s i b i l i t yt h a ts h e l fo ff i x u p l e g a p p e a r st ob ef a t i g u ef a i l u r e f a i l u r ea n a l y s i so fs h e l f o ff i x u p l e gi sv e r yn e c e s s a r y f i r s t ，i n t e g r a ls p e c i a ls h e l l - b e a me l e m e n tm o d e lo fs h e n g l i 3i ss e tu p ，w h i c hh a s b e e nc a r r i e do nt h es t a t i ca n a l y s i st oi tu n d e rt h ee x t r e m ew a v ec o n d i t i o n b e s i d e s ， s t a t i c s t r e n g t ho ft h ep l a t f o r mh o s th u l l s t r u c t u r ea n dt h e s p u dl e g a r ec h e c k e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dt h es t a n d a r d t h e n ，t h ep l a t f o r mh a sb e e nc a r r i e do nt h em o d a l i t ya n a l y s i sa n dt h ed y n a m i c r e s p o n s ea n a l y s i s t h r o u g ht h em o d a i i t ya n a l y s i sw ec a ns e eo s c i l l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f t h ep l a t f o r m ；a l s ow ec a ng e ts t r e s s t i m er e s p o n s eo f s h e l f o f f i x u p l e gt h r o u g ht h e p l a t f o r md y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s t h u sw ec a nd e t e r m i n a t i o n h a z a r dp o i n t ，a sw e l l a ss t r e s s t i m er e s p o n s eo f h a z a r dp o i n t f i n a l l y ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dd i s p o s e do fs t r e s s t i m er e s p o n s eo f h a z a r dp o i n t o fs h e l fo ff i x u p l e g ，u s e dt h ep - s nc u r v em e t h o da n dt h el i n e a r i t yc u m u l a t i v e d a m a g et h e o r y h a sc a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o nt ot h ep l a t f o r ms t r u c t u r ef a t i g u e d a m a g e ，a n da p p r a i s e dp l a t f o r ms t r u c t u r ef a t i g u e l i f e t h em e t h o da n dc o m p u t e d r e s u l th a sc e r t a i ng u i d i n gs e n s et ot h ep l a t f o r ml i f ee s t i m a t e k e yw o r d s ：j a c k - u pp l a t f o r m ；f e m ；d y n a m i cr e s p o n s e ；f a t i g u ed a m n i f i c a t i o n ； f a t i g u el i f e i t 武汉理_ 大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着社会的发展和科技的进步，人类对于能源的需求也愈来愈大。石油工业 是能源工业中最主要的组成部分，当陆上油气资源经过长期、大规模开发之后， 世界范围内的油气勘探与开发已转向了占地球表面7 1 左右的海洋，并逐渐形成 了投资高、风险大、高技术密集的能源工业新领域。目前，世界上已被证实的石 油储量中海洋石油占5 0 ，预计到2 0 0 5 年海洋石油产量将占世界石油总产量的 3 3 。我国海域辽阔，其中大陆架面积约有1 1 0 万平方公里。渤海、黄海、东海和 南海都有大面积的沉积盆地，其中具有油气勘探价值的面积在6 0 万平方公里以 上，预测的石油储量达2 5 亿吨”。这是我国海上石油天然气开发的丰富资源基础。 海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活 的基地，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。海洋平台的设 计和建造水平，在一定程度上标志着海上石油的开发水平。自本世纪4 0 年代后期 第一座钢质海洋石油钻井平台在墨西哥湾建成投产以来，海洋平台的发展经历了 由简单到复杂的过程。平台的建筑材料从木材到钢材，到钢筋混凝土；结构形式 从固定式到移动式等多种结构形式；作业水深2 3 米，发展到几百米，甚至近千 米。 海洋平台大体上可以分为移动式平台和固定式平台两大类。移动式平台包 括坐底式平台、自升式平台、半潜式平台和钻井船：固定式平台包括钢质导管 架平台、混凝土重力式平台、张力腿式平台和牵索塔式平台。早期的平台都是 固定式平台。1 8 9 6 年，美国人以栈桥连陆方式在加利福尼亚距海岸2 0 0 多米处 打出了第一口海上油井，它标志着海上石油工业的诞生。到了2 0 世纪4 0 年代， 第一台专门用于海上石油钻探开采的平台建成。虽然此平台的工作水深只有7 米，但是这项技术进步却使海上石油工业出现突飞猛进的发展。到1 9 7 9 年全世 界近海己有7 0 0 0 余座固定式海洋石油钻探生产平台。第二次世界大战后，海洋 石油钻探开采技术突飞猛进，可开发深度越来越大，并能在各种复杂的海况情 况下开采石油。2 0 世纪5 0 年代以后，研制成功各种移动式钻井平台，克服了固 定式平台不能重复使用的缺点，并大大增加了工作水深。移动式海洋石油钻井 武汉理工大学硕士学位论文 设备拥有自己的浮力结构，可以用拖船拖航。有的还拥有自己的动力设备，可 以自航。进入2 0 世纪7 0 年代，海上石油平台的数量猛增，特别是半潜式平台。 1 9 6 5 年还只有7 0 台，截至1 9 7 6 年浮动石油平台己超过3 5 0 台，遍布世界各个 沿海地区域。1 。 据研究表明，海上石油天然气资源主要存在于大陆架。由大陆架、大陆坡 和大陆隆三部分组成的大陆边缘占海洋总面积2 5 。大陆架般是指由陆地向 外延伸到水深2 0 0 米左右的海域；大陆坡由大陆架向外延伸到水深2 5 0 0 米处； 大陆隆则由大陆坡再向外延伸到4 5 0 0 米水深。根据石油天然气生成于沉积岩的 正确假设，油气生成取决于沉积层的厚度。大陆边缘的沉积层厚达数千米，它 们的油气潜在资源比深海海底大得多。据专家估计，大陆边缘含有的油气潜在 资源占海底总的油气资源的9 9 ，而深海海底沉积中只占1 。3 。自升式平台的 结构形式和特点最适于在中浅深度海域工作，又由于自升式平台具有所需钢材 少，造价低，在各种海况下都能平稳进行钻井工作等优点，因而在海上石油开 发中得到广泛应用。 1 2 自升式海洋平台及其升降装置简介 1 2 1 自升式平台结构 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 表1 11 9 8 6 年移动式钻井装置统计数据 平台类型数量比例( ) 自升式平台 4 4 5 5 7 9 半潜式平台 1 9 82 5 7 坐底式平台 3 95 1 钻井船与钻井驳8 7 1 1 3 总计7 6 9 1 0 0 自升式平台产生于1 9 5 1 年，目前在世界范围内具有最为广泛的应用，数量 不断攀升。在移动式平台家族中占据主要地位( 见表1 1 ) 。自升式平台数量随 年份的变化的趋势见图1 1 。据r i gl o c a t o r 的调查报告表明，截至1 9 9 9 年底， 太平洋及中东地区的移动式钻井装置共1 6 5 座，其中自升式平台1 3 5 座，占总 数的百分之八十以上。1 9 9 9 年在建的3 0 座平台中，有1 0 座是自升式平台。 自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三部分组成。平台主体的平面形 状一般有三角形( 三桩腿) 、矩形( 四桩腿) 和五角形( 五桩腿) 等。 平台主体通常是一个具有单底或双层底的单甲板箱形结构。其内部根据作 业、布置和强度要求设有纵舱壁和横舱壁，但在桩腿之间的连线上必须设置强 力舱壁作为平台主体的主行材。桩腿的作用主要是在平台主体升起后支撑平台 的全部重量，并把载荷传至海底。桩腿的结构形式分为壳体式和折架式两类。 壳体式桩腿由钢板焊接成封闭形的结构，其横断面有圆形和方形两种，早期的 自升式平台桩腿多为圆柱壳体。为配合升降装置，桩腿上有的设有销孔，有的 装有齿条。壳体式桩腿一般用于工作水深6 0 7 0 米以下，深水的自升式平台都 采用析架式桩腿。折架式桩腿由弦秆、斜撑秆和水平撑杆组成，在弦杆上装有 齿条。为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端可设计成单独带桩腿箱， 亦称桩靴，早期的自升式平台也有设计成整体沉垫的形式。自升式平台的结构 形式各种各样的，可以平台主体的形状、桩腿的数目及形式、升降装置的类型 等进行区分。还可以依据平台钻并区域结构形式的不同可分为槽口式自升式平 台和悬臂梁式自升式平台。槽口式平台在主体的尾端开有槽口，钻台及井架位 于井口槽的上面，钻台上的钻杆向下通过井口槽到达海底。悬臂梁式平台不在 主体结构上开槽，但在甲板上设有两道相互平行的钢梁，钻台及井架安置在钢 梁上，钢梁可在滑轨上移动并连同钻台及井架一起伸向平台尾端舷外，成为悬 3 武汉理f ：大学硕士学位论文 臂式结构。相比之下，悬臂式平台不仅可以钻勘探井，还可以钻生产井，也可 进行修井作业，而且井架活动范围大，每次插桩作业钻井数量多，因此比槽口 式平台具有更高的效率。不过，悬臂梁的载荷受强度的限制比较大“1 。 1 2 2 升降装置 升降装置装在平台主体和桩腿的交接处，升降机构能使桩腿和平台主体实 现上下相对运动，或把平台主体固定于桩腿的某一位置。升降装置常用的有电 动液压式和电动齿轮齿条式两类。电动液压升降装置常用于壳体式桩腿，利用 液压缸中活塞杆的伸缩带动环梁上下运动，并利用锁销将环梁和桩腿锁紧而实 现平台和桩腿的相互运动。电动齿轮齿条升降装置常用于析架式桩腿，它由电 动机经过减速机构带动齿轮转动，使齿轮与桩腿上的齿条啮合而完成平台主体 与桩腿之间的相互运动，当电动机处于制动状态时，则可把平台主体固定于桩 腿的某一位置“1 。 升降系统的设计关系到平台日后的可操作性和营运经济指标。从目前投入 使用的自升式平台的升降传动方式看，大致包括以下几种形式： 1 采用油缸作驱动源，通过油缸的直线动作，实现平台或桩腿的升降运动。 2 采用液压马达作驱动源，通过齿轮齿条的啮合传动，将液压马达的旋转 动作转换成齿条的直线动作实现平台或桩腿的升降运动。 3 采用交流电动机作驱动源，通过齿轮齿条的啮合传动，实现平台或桩腿 的升降运动。 1 3 海洋平台结构相关的研究现状 海洋平台结构在服役期间要承受复杂的载荷，各种结构失效造成的平台事 故损失严重。为了使昂贵的平台能安全长期地运营，对海洋平台诸多方面的研 究自平台出现以来就不断地进行着。 对于平台所受载荷研究，主要集中在风、浪、流等环境载荷上，而波浪载 荷更是研究的重点”“”。波浪载荷与波浪理论密切相关，常用的波浪理论有线性 波理论、坦谷波理论和椭圆余弦波理论，而在海洋工程界采用更多的则是s t o k e s 发展的有限波幅理论。自从1 9 5 1 年m o r i s o n 和他的同事们在大量试验与理 论研究基础上提出著名的m o r i s o n 公式计算平台桩腿波浪力以来，一直沿用至今 4 武汉理工大学硕士学位论文 “。对于疲劳载荷的处理也形成了许多方法，最为常用的为雨流计数法，过玉卿 等用“三峰谷计数原则”代替了一般的“四峰谷计数原则”，使雨流法在计算 机上的实现更为简便。关于海洋平台波浪响应的研究进行的也很多。d a r i ob o o t e 等分析了海洋平台结构在非线性时域内的响应，并利用a n s y s 非线性有限元模 型计算了平台整体结构的极限强度和剩余强度。聂武通过随机模拟的方法产生 随机波浪外载荷研究自升式平台的非线性随机波浪载荷响应，g j g n m d l e h n e r 研究了处于升船状态的自升式平台，在典型恶劣深水海况下的动力响应，结果 显示动力响应的不确定性主要与波峰模型、m o r i s o n 公式和阻尼有关。“。 在平台结构的应力计算方面，有限元分析方法日趋成熟。戴大农等采用三 维等参元和三维相对自由度壳元的组合模型和子结构技术对海洋平台管节点的 应力进行了有限元分析“”，欧进萍等利用整体推进法分析了导管节平台的极限承 载能力“。在整体结构有限元分析中，由于构件众多，经常采用等效刚度法，将 实际结构中的组合型材简化成刚度等效的梁单元一等效梁”7 ”。 据统计，在金属机械结构的断裂事故中，有8 0 以上是由疲劳引起的。疲 劳破坏也是船舶与海洋工程结构主要的失效模式之一”。对于船舶结构的疲劳问 题，在二十世纪六十年代就己引起造船界的关注，而人们对海洋平台结构的疲 劳研究则要更早一些。1 9 8 0 年a l e x a n d e rk e y l a n d 号半潜式平台在北海翻沉，造 成一百余人葬身海底，调查分析的结果表明，结构的疲劳是事故的重要原因之 一。由于海洋平台结构疲劳破坏的事故时有发生，并且造成巨大的损失，因而 海洋工程结构的疲劳破坏日益引起重视。目前世界各主要船级社的平台建造与 入级规范都建立了各自的疲劳强度校核方法与许用应力范围衡准。在船舶与海 洋工程界中，关于结构的疲劳破坏进行了大量的研究。“1 ”3 。t a ox u 在文献 2 3 中对船舶与海洋工程结构的疲劳强度、疲劳载荷以及疲劳可靠性等方面的新发 展和存在的问题进行了较为全面的介绍。在对结构的疲劳损伤和寿命估算中， 通常采用m i n e r 线性累积损伤理论和s n 曲线来计算“2 ”，并通过试验总结出 一些规律”。近年来，断裂力学的方法在疲劳分析中的应用越来越广泛。丁克勤、 柳春图等利用断裂力学方法对海洋平台用钢的疲劳裂纹扩展进行了系统研究， 在试验基础上总结出确定裂纹扩展曲线的快速方法。7 “2 ”。张延宏、柳春图等通过 断裂力学论理论分析方法，研究了海洋平台t 型管节点的疲劳强度，并提出了 对裂纹扩展数据进行统一处理的方法。 早期的疲劳分析都是在确定性的意义上进行的，认为计算的有关参量都有 5 武汉理工大学硕士学位论文 确定的数值。但事实上海洋工程结构的疲劳是一个受大量不确定因素影响的复 杂现象，而且大多数影响因素从本质上讲是随机的。例如，由海浪无规则运动 引起的波浪载荷是随机的，由材料性能的分散性和材料性能测试过程中不确定 性因素得到的结构疲劳强度是随机的，另外在疲劳计算中由假设和简化造成的 计算结果与结构真实内力之间的误差也是随机的1 。后来虽然引入p s n 曲 线方法，但它只是对确定性方法的局部改进。随着认识的深入和科技的进步， 可靠性理论在结构的疲劳分析中的应用飞速发展。“1 。朱启宪在文献 2 9 中从实 用的观点叙述了有关海洋平台可靠性设计的主要问题和采用可靠性安全系数法 的主要步骤。j i nw e i l i a n g 分析了在环境载荷和桩基土壤力联合作用下的平台自 身可靠性。c g u e d e ss o a r e s 等对含有多裂纹结构的疲劳可靠性进行了研究，并 分析了裂纹初始扩展时间与初始裂纹长度对可靠度的影响1 。 1 4 本文的研究意义和主要研究内容 1 。4 1 研究意义 从国内外的文献资料来看，海洋平台的疲劳分析主要集中在平台的桩腿以 及平台管节点处，从海洋平台的实际的疲劳损伤来看，桩腿以及平台管节点确 实是疲劳破坏的危险部位。但是对于自升式海洋平台，升降装置既需要在升降 状态下完成桩腿及甲板的升降，还需要在正常工作状态及风暴自存状态下支撑 船体甲板及相关设备，往往承受着高频率的交变载荷，极易发生疲劳损坏，所 以本文以自升式海洋平台的升降装置为研究对象，对其进行疲劳分析。 胜利作业三号自升式修井平台是我国自主研制开发的第1 座自升式修井平 台。平台升降装置采用液压齿轮齿条式，升降装置的主要构件为固桩架，固桩 架采用了一种新型、复杂的结构形式一柱壳加环筋和纵筋式结构，共有3 条环 筋、4 条纵筋组成。由于圃桩架是升降装置的主要结构，所以本文就以固桩架为 主要研究对象对升降装置进行疲劳强度分析。 1 4 2 主要研究内容及创新点 本文以某自升式修并平台为对象。对其在波、流等载荷作用下的动力响应 进行分析研究，得到平台的结构响应，通过平台构件的应力一时间历程计算出 平台升降装置中固桩架结构的疲劳寿命和疲劳损伤。主要做了如下几个方面内 6 武汉理工大学硕士学位论文 容： ( 1 ) 建立了自升式平台结构的整体有限元模型，并在极限风浪情况下对平 台进行了静力分析和强度校核： ( 2 ) 对平台进行了模态分析，得出平台的自振特性：依据波浪参数不同 划分工况，模拟一年中平台多经历的波浪情况，在不同的工况下对平台进行动 力响应分析，确定平台升降装置危险点及危险点的应力一时间响应历程。 ( 3 ) 用峰值计数法对平台构件应力一时间历程计数，得到各应力水平下的 应力循环次数： ( 4 ) 运用p s n 曲线，估算升降装置中固桩架结构的疲劳损伤和疲劳寿 命。 创新点： ( 1 ) 尽量模拟真实结构进行自升式平台整体有限元仿真计算。 ( 2 ) 通过应力一时间响应历程来确定平台的疲劳应力和应力循环次数，从 而估算平台上构件的疲劳寿命和疲劳损伤。 ( 3 ) 对自升式平台的升降装置进行疲劳分析，从另一个方面对平台的寿命 进行估算。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章海洋平台结构疲劳损伤机理 磨损、腐蚀和断裂是海洋平台结构中常见的三种主要失效形式，其中断裂 常突然发生，往往导致灾难性事故。造成断裂事故的原因很多，如过载、低温 脆性、氢脆和疲劳等，而疲劳在其中占很大的比重。在海上作业的平台，由于 不断变化的波浪载荷使得结构内部产生了不断变化的应力。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，因此疲劳破坏一直被认为是海洋工 程结构物的一种主要破坏形式，本章将介绍疲劳分析的一般方法及其在海洋工 程中的应用。 2 2 结构疲劳的基本概念 疲劳在工程中用以表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。日内瓦的国 际标准化组织( i s o ) 在1 9 6 4 年发表的报告“金属疲劳试验的一般原理”中给 疲劳下了一个描述性的定义。这份报告把疲劳定义为一个专门的术语：“金属 材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳；虽然在一般情况 下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能的变化”。这一描述也普遍适用 于非金属材料。 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，宏观裂纹的迸一步扩展导致最后的 破坏。疲劳破坏过程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1 。疲劳破坏与静应力破坏有着本质的区别： ( 1 ) 疲劳破坏是多次重复载荷作用下产生的破坏，它是较长时期的交变应 力作用的结果。疲劳破坏往往要经历一定时间，是一个逐渐累积的过程：而后 者是由极值应力幅值引起的，它是静载下的一次破坏。 ( 2 ) 疲劳破坏通常没有宏观显著塑性变形的迹象，即使在静载下表现为韧 8 武汉理工大学硕士学位论文 性的材料，在交变应力作用下，也表现为无明显塑性变形的断裂，与脆性破坏 很类似，但前者需要经过一段较长的断裂亚临界扩展时间，而后者则是高速扩 展而突然导致破坏。 ( 3 ) 在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域：一部分是暗淡光滑区，也 即疲劳破坏裂纹发生和扩展区：另一部分是光亮晶粒状区，也即快速断裂区。 在交变荷重作用下，整个疲劳破坏过程，是以构件存在的缺陷处开始的，对于 光滑无缺口试样，则由于滑移产生微小裂纹，裂纹起点叫疲劳源。由于反复的 变形，裂纹逐渐扩展，扩展过程中开裂的两个面时而挤紧，时而松离，这样反 复摩擦产生了光滑区。随着裂纹的扩大，剖面削弱越来越厉害，知道材料或构 件静强度不足时，即在某载荷作用下，突然断裂，这种突然性破坏常常使材料 的端面呈晶粒状。如图2 1 a 所示。 、 a a 圆轴的宏观断面b 微观疲劳扩展区 图2 ，l疲劳断口上三个特征区的示意图 在疲劳裂纹的发生、扩展区，往往可以借助电子显微镜看到明暗交替相平 行的疲劳条痕，如图2 1 b 所示，条痕的出现是判断疲劳破坏的重要依据。 ( 4 ) 对疲劳破坏来说。材料的组成、构件的形状、尺寸、表面状态、使用 环境等因素都是非常敏感的，因此，同一种材料，同一种试验条件下得到的数 据具有相当的分散性，即疲劳抗力具有统计性质1 。 当裂纹的起始完成后，裂纹开始沿着垂直于最大主应力的方向稳定扩展， 对于金属材料的裂纹，其裂纹扩展速率曲线如图2 2 所示。对于船舶及平台等 大型焊接海洋工程结构，由于建造过程中的焊接缺陷等原因，一般认为裂纹一 开始就存在，也就是说裂纹的起始过程可以忽略。 9 武汉理工火学硕士学位论文 裂 图2 2 金属中i 型裂纹扩展速率曲线 2 3 疲劳分析的基本方法 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主要有s n 曲线法、断裂力学方法和可靠性方法。 2 。3 1s - n 曲线法 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。 在这些方法中，通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹( 和具有名义光滑 表面) 的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环数或应变循环数。这样得到 的寿命包括萌生主裂纹的疲劳循环数( 可能高达疲劳总寿命的9 0 ) 和使这 一主裂纹扩展至0 发生突然断裂的疲劳循环数。应用经典方法预测疲劳总寿命时， 可以用各种方法来处理平均应力、应力集中、环境、多轴应力和应力变幅的影 响。由于裂纹萌生寿命占据光滑试样疲劳总寿命的主要部分，经典的应力和应 变描述方法在多数情况下体现抵抗疲劳裂纹萌生的设计思想。在低应力的高周 疲劳条件下，材料主要发生弹性变形：对于这种高周疲劳，传统上是用应力范 围来描述导致破坏所需的时间或循环数。低周疲劳中的应力通常很大，足以在 破坏之前引起明显的塑性变形。这时，可以用应变范围来描述疲劳寿命。经典 的( 短寿命) 应变描述方法( 也可叫低周疲劳方法) 表现出很大吸引力的一个 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 例子是预测应力集中部位全塑性区应变场的裂纹萌生和早期扩展寿命。 严格来说，s n 曲线法仅适用于预报裂纹的起始寿命，但现在一般都将“疲 劳破坏”的概念模糊化，通过人为地定义某一状态为“破坏”。这样，原来的 一个扩展过程就简化为一个状态，从而也将s n 曲线法用于估计结构的全寿命 期。s n 曲线的一般表达式： sr n r = a( 2 1 ) 式中s ，为作用在结构上的定常交变应力的应力范围；n ，为结构在常应力范 围s ，的作用下，达到疲劳失效所需的应力循环数；a 、m 为疲劳实验常数。 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 程设计中常常应用p a l m g r e n - m i n e r 疲劳累积损伤假说解决这类问题1 ，线性损 伤法则假定： ( 1 ) 如果将某一载荷块的应力循环数表示为相同应力幅下造成破坏所需的 总应力循环数的百分数，则这一百分数就是该载荷块所消耗的变幅疲劳寿命的 百分数； ( 2 ) 载荷块的顺序不影响疲劳寿命； ( 3 ) 在含有k 个载荷块的加载序列中，如果用n i 来表示恒应力幅为盯，的 第i 个载荷块的循环数，用n i 来表示在口。下的破坏循环数，则p a l m g r e n m i n e r 损伤法则给出： y 兰= 1( 2 2 ) 管； m i n e r 疲劳累积损伤假说的正确应用，取决于这样的几个条件： 1 小于疲劳极限的应力对损伤不起作用； 2 同一载荷块内，盯，须是对称循环变应力，或等效成对称循环变应力； 3 在任一给定的应力水平作用下，零件累积损伤的速度与以前的载荷历程 无关，也就是说，对于每一应力水平，不论在寿命的前期或后期、每次循环的 损伤应该是相同的，即矾作用一次，其损伤率为l ，n i ； 4 加载的顺序变化，不应该影响零件的疲劳寿命。 满足了以上的假设条件，就可以对谱状载荷作用下的结构构件进行累积损 伤疲劳寿命的预算或者构件设计。 长期以来，人们通过大量的实验发现，p a l m g r e n m i n e r 疲劳累积损伤假说 武汉理工大学硕士学位论文 有很大的局限性，失效时的m i n e r 数值通常大约在0 3 3 0 之间。即： 争二l ：0 3 3 0 并不永远等于1 。其局限性主要表现在以下凡个方面； 筲， ( 1 ) 载荷的循序不同，m i n e 的数值也不同。当加载方式呈递增的顺序时， 妻争1 ：当力载的方式呈递减的顺序时喜惫 1 ；当加载的方式呈随机变化 时喜寿砘s 叫氲 ( 2 ) 如果应力是非对称循环交应力时，随着平均应力b ，l 相对于应力幅1 l 的比值愈大，实际的m i n e r 数值愈大： ( 3 ) 当有短期的尖蜂载荷作用在构件上时，实际的m i n e 数值大于l ： ( 4 ) 一次载荷作用后，材料( 构件) 本身发生变化，材料( 构件) 的疲劳 极限将有所降低，存在新的仃- n 曲线，在二次载荷作用下，材料( 构件) 的损 伤程度要比一次载荷作用大，因此，疲劳损伤累积并非呈线性累积的。 虽然p a l m g r e n - m i n e 法则有这些局限性，但是由于应用比较简单，且疲劳分 析中还有其它多方面的不确定因素，故在工程中仍然被广泛使用。 2 。3 2 断裂力学方法 因在相当长的一段时间内，材料力学是作为一门以防止断裂为主要任务的 学科面存在的。材料力学要求对每种材料要测定屈服强度、强度极限、延伸率 和冲击值等主要机械性能指标。然后，规定材料必须具有足够的强度和韧性。 对于脆性材料，峰值应力超过了材料的强度极限，即造成断裂；对韧性材料， 峰值应力首先造成局部屈服，使应力重新分配，然后使峰值应力抑制在不超过 材料的强度极限，才能避免断裂。 但是，按上述常规的材料力学方法设计的工程构件或机械零部件，有时并 不能保证安全使用。常常在低于设计应力条件下发生脆断事故，即所谓低应力 脆断。对此，材料力学己不可能做出解释，因为，这种低应力脆断是由于材料 中存在的初始裂纹，并在特定条件下扩展失稳所导致的。材料力学假设材料是 各向同性的均匀介质，但实际上材料的微观组织，不仅非均匀，也不可能各向 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 同性；而且组织中有微裂纹，甚至宏观裂纹等缺陷存在。这样，就产生了断裂 力学。断裂力学认为材科断裂的发生是由于材料的微裂纹及缺陷的存在以及材 料对缺陷的敏感性。 断裂力学是一门新兴的强度学科，它扬弃了常规的传统强度理论中关于材 料不存在裂纹的假设，而把构件或零件看成是连续和间断的统一体，把材料看 成是有微裂纹或缺陷存在的，提出了按照裂纹扩展速率计算疲劳断裂的新方法 和设计原则。因此，断裂力学是一门主要研究带裂纹材料的强度和裂纹在材料 中扩展规律的学科。也可以说，断裂力学实质上是有关材料裂纹的力学。如第 一章所述，海洋工程钢结构在海上的每一次断裂事故都会带来严重的灾难，造 成巨大的生命财产损失。因而，寿命问题，可靠性设计问题便成了海洋工程钢 结构研究与设计中的主要矛盾。于是，断裂力学在海洋工程钢结构中的应用， 也主要是用以估算构件的疲劳寿命或可靠性分析1 。 疲劳设计的断裂力学方法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。若在构件中没有发现损伤，则进行可靠性检验， 即根据经验对一个结构，在应力水平稍稍高于使用应力的条件下进行模拟试验， 如果无损试验方法没有检验出裂纹，而且在可靠性检验中也不发生突然的破坏， 则根据探伤技术的分辨率来估计最大【未测出) 原始裂纹尺寸。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问。可 以根据材料的韧性、结构特殊部分的极限载荷、可容许的应变和可容许的构件 的柔度变化来选择疲劳裂纹的临界尺寸。应用断裂力学的裂纹扩展经验规律来 预测裂纹扩展寿命。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) 捅比，裂纹项端塑性区较小。弹性加载条件占主导鲍位的情况下， 才可以应用断裂力学方法。 对于如图2 2 所给出的i 型裂纹扩展速率曲线。在第一区域酃裂纹起始区通 常使用以下公式描述： 豢= c 1 皿) m 一衅。r j ( 2 3 ) 式中： a 为裂纹的长蘑n 为交变应力的循环次数，d a d n 则表示应力循环次裂 纹扩展的长度，即裂纹的扩展速率： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 a k = f - 盯刀聍访石，为裂纹尖端应力强度因子，j | ：。为应力强度因子的 门槛值，由实验测定。 c 和m 为材料常数，也由实验测得。对于结构钢，实测的m 值一般为2 7 之间。 在第二区域即裂纹的稳定扩展区则采用p a r i s e r d o g a n 裂纹扩展公式描述 一d a c ( 战y ( 2 4 ) a n 、7 在第三区域，裂纹快速扩展，直至最后失效，这个区域在整个疲劳寿命中 所占的比例通常很小，故在工程实际中一般不予考虑。 有了裂纹的扩展速率公式，就可以对结构的疲劳裂纹扩展寿命进行计算， 卟p 2 b 簖 s ， 式中： a o 为初始裂纹尺寸； a c 为临界裂纹尺寸； n 。为从初始裂纹尺寸扩展到i 临界裂纹尺a c 的应力循环数。 断裂力学中用以描述裂纹扩展速率d a d n 的帕里斯公式，已为国际上广泛承 认，而以帕里斯公式和疲劳损伤累积的m i n e r 法则相结合来估算构件的疲劳寿 命，在海洋工程钢结构的研究设计方面已得到了广泛的应用 2 3 3 可靠性方法m 3 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。丽实际上，工程中 涉及到疲劳的有关因素都是随机的。载荷的随机性就会导致交变应力的随机性， 而由于材料性能的分散性以及在对材料性能进行测试过程中存在不确定因素， 因此结构对疲劳的抗力( 疲劳强度) 也是随机的。此外，为了计算结构内的应 力，需要采用一定的基本假设和简化模型，这使得计算结果与结构内的真是应 力之间存在系统的和随机的误差。在疲劳累积损伤或裂纹扩展计算方面也有类 似的误差存在。这一误差又称为模型的不确定性。用确定性的方法不可能对上 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 述各种不确定因素的影响作出客观的反映。一艘船舶或一座海洋平台，用确定 性方法进行疲劳分析时，若将有关参量均取期望值，那么，计算所得的疲劳寿 命可能是规定的设计寿命的数倍甚至数十倍。从表面上看，可以认为是充分安 全的。但是，若考虑到各参量的不确定性，在同样的条件下，疲劳寿命大于设 计寿命的概率却可能很低，实际上并不能满足安全性的要求。采用确定性方法 时，为了保证结构的安全，一般还要引入由经验确定的安全系数，但这样得到 的结果往往又过于保守，从而在经济上需付出昂贵的代价。目前虽然有时采用 概率s n 曲线( p s n 曲线) 来代表结构的疲劳强度等，但是这样的改进只是 局部的，为从根本上解决问题，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( 如海洋平台 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。 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 4 疲劳分析方法的优缺点及工程应用 s n 曲线法、断裂力学方法和可靠性方法各有优缺点。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。最科学合理的方法是将这两种 方法结合起来，用s n 曲线法预报裂纹的起始寿命t i ，用断裂力学法预报裂纹 的扩展寿命l ，然后全寿命t d = t i + t p ，但这样做方法上比较复杂，涉及到的因素 很多。由于每种因素都含有不确定性，这样最后的结果仍然有很大离散度，并 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 不能从根本上改善预报寿命的离散度。 图2 3 疲劳强度校核的s - n 曲线法 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。但在工程实际中，因缺乏充分的统计 数据资料，使得疲劳可靠性分析中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方法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。它又可以分成如图2 3 所示的四种方法，这四种方法的特点如表2 1 所 示。在具体的应用中，应根据实际的情况选择相应的方法进行计算。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1 四种s - n 曲线法的比较 描述疲劳 方法校核疲劳所 强度所用的主要的优缺点备注 名称用的应力 s n 曲线 应力计算最简单； 名义应 s - n 曲线对应于计算精度取决于s - n 曲线的 在船舶疲劳 仃= 校核中常用 力法给定节点型式选择： 的方法 需要的s - n 曲线很多。 l ( g 的计算有一定的工作量； 需要的s - n 曲线数目较少； 热点应s - n 曲线对应于 k g 与k 。的分离有时比较困海洋平台疲 o = k g o h 难： 劳校核常用 力法给定焊接方式 热点附近的应力并不总是线的方法 性分布，这样就与单元类型和大 小有关。 由于焊接形状的不确定，同 一焊接节点的应力离散度大； 切口应 盯= k c k os - n 曲线对应于 在设计阶段，焊接形状未知， 需要作保守估计： 应用较少 力法 母材 需要的s - n 曲线最少，方法 可以是精确的，但应力计算工作 量大。 切口应 占= k 6 k 。疗 s - n 曲线对应于可以考虑材料的弹塑性影响；研究文献提 变法占- n 曲线 计算计算工作量大。到 1 7 武汉理工大学硕= ：学位论文 3 1 概述 第3 章平台三维有限元模型的建立 自六十年代以来有限元理论和方法一直是工程结构强度分析的最有效工 具。但由于计算机速度的限制，对于一些大型复杂工程结构物的分析设计，有 限元计算需要花费大量的时间。人们于是转而提出了一些简化理论，对结构采 用某种程度的简化，减少建模的单元节点数量，来近似得到分析结果，节省计 算资源。如t i m o s h e n k o 和g o o d i e r 提出的船体梁理论，就是应用应力合成法， 将构件的内力分为总弯曲应力和板梁弯曲应力，分别计算后再进行合成”。为了 寻求一种非线性极限强度分析的有效方法，r a s h e d 提出了一种理想结构单元法， 即把结构分成最大可能的单元，以简单的形式归并几何非线性子材料非线性。 中国船级社( c c s ) 在对海洋平台进行强度分析和安全评估时，也采用带板的模 式，忽略板梁之间的细节作用“，以减少建模和计算工作量。 而随着现代大型高速计算机的出现，大型海洋工程结构物的整体三维有限 元分析成为可能。一方面，整体三维有限元分析法将结构划分为若干子结构， 并进一步按具体受力特征分为板、梁、壳等有限单元。这样可以详尽而更加真 实地描述海洋工程结构的各个细节，更加准确地表达出整体结构的协调关系与 变化。通过大规模有限元分析求解，可以求出各主要构件的实际变形与应力。 另一方面。高速计算机突破了设计变量和约束条件的限制，人们可以将结构上 更细的构件作为优化变量，同时也可以考虑更多的实际约束条件。 目前有关自升式平台的结构分析方法有两大类：一类是基于相关规范的传 统分析方法，其特点是建立简化模型( 波