（轮机工程专业论文）导管架平台结构分析模型化及疲劳断裂性能研究.pdf

火连理r 人学硕十学位论文 摘要 固定式海洋平台结构分析涉及载荷、基础、应力等多个方面的研究，其工作量是非 常庞大的。目前可用于固定式海洋平台结构分析的专用软件有s t r u c a d + 3 d ，s a c s 等， 但它们的功能总是局限的。而通用有限元软件又缺乏用于海洋平台结构分析的专用模 块，因而，结合现有的有限元分析软件，开发相应的专用分析模块，应用于海洋平台的 结构分析研究是非常有意义的。另外，管节点是海洋平台结构的关键部位，同时也是导 致结构整体失效破坏的最薄弱环节，海洋平台的失事很多都是由于管节点发生疲劳损伤 并进一步导致不安定断裂所致，为此管节点的疲劳评估及断裂性能研究也显得尤为重 要。 本文的主要工作包括三个方面：首先对波浪理论及桩土分析理论做了研究，在此基 础上结合a n s y s 结构分析软件开发了载荷计算模块、桩基分析模块，并验证了其f 确 性；利用上述计算程序，建立了b z 2 8 1 平台结构分析模型，根据平台所处海域的波浪 资料，对b z 一2 8 1 平台进行了6 4 种工况下的结构分析，结合谱疲劳分析方法对平台作了 疲劳评估：最后通过研究裂纹体网格剖分特点，提出了一种创建裂纹体有限元模型的简 便方法，根据该方法建立了一系列含表面裂纹的平板结构模型，研究了裂纹前缘的单元 边长l 与裂纹深度a 之比对裂纹尖端应力强度因子计算结果的影响，并将本文方法的计 算结果与n e w m a n p , a j u 公式计算结果作了比较。 大量计算及分析表明本文编写的结构分析程序模块可以应用于工程实际，从而实现 了钢质导管架平台结构分析模型化：同时通过对b z 2 8 1 平台进行的疲劳分析，得出了 该平台可以继续安全使用的结论。另外，本文提出的用a n s y s 软件生成裂纹体有限元 模型的简便方法，丰富了裂纹体模型的生成方法，给应力强度因子研究带来了方便。 关键词：钢质导管架平台；管节点；模型化；热点应力；应力强度因子 导管架平台结构分析模型化及疲劳断裂性能研究 s t r u c t u r e a n a l y s i sm o d u l a r i z a t i o na n d f a t i g u e a n df r a c t u r er e s e a r c hf o rj a c k e tp l a t f o r m s a b s t r a c t s t r u c t u r a la s s e s s m e n tf o raf i x e dp l a t f o r mi n v o l v e sg e o m e t r ym o d e l i n g ，e n v i r o n m e n t a l l o a d sc a l c u l a t i o na sw e l la ss o i l p i l ei n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，e t c t h ep r e p r o c e s si st e d i o u sa n d t i m e c o n s u m i n g 。t h e r e a r es o m e s p e c i a l i z e ds o l t w a r ep a c k a g e s f o r t h eo c e a ns t r u c t u r a la n a l y s i s ， f o re x a m p l e ，s 衄l c a d + 3 d ，s u c s ，h o w e v e r ，t h e i rf u n c t i o na r ea l w a y sl i m i t e d o nt h e c o n t r a r y ， m o s to fg e n e r a lp u r p o s e dc o m m e r c i a lf es o t t w a r ep a c k a g e sh a v ep o w e r f u lf u n c t i o n sb u t w i t h o u tt h es p e c i a l i z e dm o d u l e s i t si 玲c e s s 雒了t 0d e v e l o ps o m e s p e c i a lm o d u l e s f o rt h eg e n e r a l p t w p o s e df e s o f t w a r ep a c k a g e st os a t i s f yo l l ru n i q u er e q u i r e m e n t si no c e u n p l a t f o r ms t r u c t u r a l a n a l y s i s 。i na d d i t i o n , t h et u b u l a rj o i n t sa r et h 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 f o c e a np l a t f o r m f a t i g u ea n df r a c t u r ea tt u b u l a r j o i n t sa r er e c o g n i s e da st h ep r e d o m i n a n tf a c t o r s w h i c hc o n t r i b u t et ot h ef i x e dp l a t f o r mf a i l u r e s ；c o n s e q u e n t l y , i ti s c o m p e l l i n gt o f l l r t h e r u n d e r s t a n dt h ef a t i g u ea n df r a c t u r em e c h a n i s m o f t u b u l a r j o i n t so r f i x e dp l a t f o r m s t h em a i n w o r ko ft h i sa r t i c l ei n c l u d e st h r e e a s p e c t s ：f i r s t , w a v el o a dm o d u l ea n dp i l e s o i l i n t e r a c t i v em o d u l ew e r ed e v e l o p e du n d e rt h ea n s y s e n v i r o n m e n t ；m e a n w h i l e ，t h ev a l i d i t yo f t h e s em o d u l e sw a sc h e c k e d s e c o n d ，a nf em o d e lo fb z - 2 8 1p l a t f o r mw a se s t a b l i s h e da n d s t r e s sd i s t r i b u t i o n s 硗糍o b t a i n e du n d e r6 4w a v el o a de _ 堪s e sa c c o r d i n gt ot h el o n g - t e r mw a v e d i s t r i b u t i o n ，t h e n ，t h ef a t i g u e l i f ew a sa s s e s s e di n s p e c t r u mm e t h o d t h i r d ，ac o n v e n i e n t a u t o m a t i c a l l ym e s hg e n e r a t i o nm e t h o d f o rt h ec r a c km o d e l 燃p u tf o r w a r da l t e rs t u d y i n gt h e m e s hc h a r a c t e r i s t i co fc r a c k e db o d i e s n l c n t h ee f f e c to fr a t i oo ft h ee l e m e n ts i z e ( l ) t ot h e c r a c k 】e n g t h ( a ) o ns t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sw e r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e dw i t hn e w m a n - r a j u f o r m u l a t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e v e l o p e dm o d u l e sc a nb e a p p l i e di np r a c t i c e a n dt h eb z 2 8 l p l a t f o r mc a r tb er e u s e da l t e rf a t i g u ea s s e s s m e n t i na d d i t i o n ，t h em e t h o dr e c o m m e n di nt h i s a r t i c l ef o rm e s h i n gc r a c k e db o d i e s ，w h i c he x t e n d st h ew a yt ob u i l dc r a c km o d e l ，b r i n g s c o n v e n t e n c ef o rs t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sr e s e a r c h k e y w o r d s ：s t e e l j a c k e tp l a t f o r m ；t u b u l a r j o i n t ；jm o d e l i n g ；h o t s p o ts t r e s s ；8 t r e s si n t e n s i t y f a c t o r 、 。 独创性说魄 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 工作及歉得研究成果。尽我所知，除了文中特剐加戬标注鄹致谢的地方 外，论文中不包含其德人已经发表或撰写终硬究成果，也不毪含力获得 大连理工大学或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：么： 人琏理i ? 人学硕十学何沦文 引言 我国的海岸线超过1 8 0 0 0 公旱，拥有4 7 3 万平方公旱的海域。在我国的渤海、东海 及南海海域，蕴减着丰富的石油和天然气资源，随着我国海上油气资源的逐步开发，海 上油田的地位也变得越来越重要。开发海上油气田，需要有钻井和采油的海上平台。钢 质导管架平台通过打桩的方法固定于海底，具有稳定性好和自持能力强的特点，它是目 前海上油田中使用最广泛的一种平台。自1 9 4 7 年第一次被用在墨西哥湾6 m 水深的海 域以来，发展十分迅速，到1 9 7 8 年，其工作水深已达3 1 2 m 。据近一些年来的报道，已 有一些钢质导管架平台的工作水深超过了5 0 0 m 1 9 6 6 年1 2 月底，我国第一座固定式平 台被成功地安装在渤海湾水深6 m 处的油田上。从此以后，我国先后在渤海湾水深6 2 5 m 范围设计和安装了1 0 0 多座固定式平台。固定式平台的迅速发展，创造了巨大的社 会经济效益，对国民经济的发展起到了重要的推动作用。同时，海上平台的安全问题也 受到越来越多的重视。 平台结构分析是保证平台安全使用的一个重要环节。由于导管架平台结构型式、所 处的载荷环境等部很复杂，因而其分析必须通过计算机程序来完成。目前已有专门用于 导管架平台结构分析的软件，比如s a c s ，但s a c s 软件的长处在于计算杆系结构，对 于板壳结构，a n s y s 有其它软件无可比拟的优势，然而由于缺乏用于导管架平台分析 的专用模块，因此，给应用a n g y g y 软件分析平台结构带来了困难。为此，本文提出了 导管架平台结构分析模型化的概念。以大型通用有限元软件a n s y s 为依托，开发波浪 载荷计算模块、桩土分析模块、结构一桩一土相互作用分析的程序模块，并进行集成，从 而为应用a n s y s 软件进行导管架平台结构分析带来方便。 载荷模型化是结构模型化研究中的一个重要环节。对于平台结构所受载荷研究，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。由于线性波 理论简单适用，海洋工程界在进行平台结构的谱疲劳分析时，往往都是采用线性波理论 【1 】。 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 2 。但m o f i s o n 公式并不能直接 用于计算导管架结构受到的波浪力。因为它只能用于计算直立圆形构件的波浪力，为 此，需要对其进行一些修j 下，采用其修f 形式来计算导管架结构构件受到的波浪载荷。 导管架平台结构分析模犁化及疲劳断裂性能研究 桩的作用是把平台固定于海底并承受横向载荷和垂向载荷。平台所受的载荷最终都 要由桩基础束承担 3 ，4 】。因此桩土相互作用分析在导管架平台结构分析中是必不可少的 环节。关于桩土相互作用及其内力计算问题，前人提出过很多种计算方法，主要可分为 三种：极限地基反力法、弹性地基反力法和复合地基反力法。极限地基反力法不考虑地 基的变形特性，这种方法不适用于一般桩结构物变形问题的计算。弹性地基反力法又分 为线弹性地基反力法和非线弹性地基反力法。弹性地基反力法中最常用的是：张有令法 和m 法。张氏法假定土反力与土的埋藏深度无关，这种假定显然是不合理的，但由于 该方法简便，可以手算，在以前计算机不普及的情况下，得到了广泛的应用 5 。m 法 假定土反力与深度成线性关系，而土本身并不是线性的，这种方法比张氏法有所改进， 但仍然不够合理。由于这种方法计算简单，并且对于一般的桩结构物的计算也可以得到 较好的结果。因此，在我国及欧洲得到了很广泛的应用。复合地基反力法又称p y 曲 线法，是海洋工程中应用最为广泛的方法。复合地基反力法最合理，因为它能如实地把 地基的非线弹性性质及由地表面开始的破坏现象反映到桩的计算中去。由于要真实反映 地基的性质必须要选用合适的数学模型，并且需要进行反复迭代计算，所以需要通过编 制计算机程序来完成计算工作。 在结构一桩一土工作体系中，在进行结构分析模型化时，需要考虑结构一桩一土之间的 相互作用。国内外许多学者作了大量的研究工作，提出了许多分析方法。目前使用的分 析方法主要有两种1 3 j ：一是采用整体分析计算模型的计算分析方法，即将导管架和桩作 为一个整体来考虑；另一种是等效简化计算模型，又叫分部分析计算模型，即将导管架 和桩在泥面处分开，对上部导管架结构和下部埋入土中的桩分别建立计算模型，在两部 分结构之间进行迭代计算。在整体计算分析方法中，力学状态符合实际，但其其缺点是 费时多，耗资大。针对这一缺点，有人在整体分析模型中采用了子结构技术 6 ，在一 定程度上提高了计算效率。等效简化计算模型一般来说有三种，分别是固定支座等效桩 模型 1 ，7 ，弹性支座等效桩模型 8 和桩顶刚度等效模型 3 ，9 。固定支座等效桩模 型，易于在一般的有限元分析程序中实现，该模型的缺点是逼近真值慢，拟合差。究其 原因是计算模型与桩的实际状态有一定的差异。弹性支座等效桩模型，针对底部嵌固点 不存在，在桩底施加了3 个弹簧约束，保证了桩底可以有一定的线位移和角位移，从而 更加符合实际状况，但同时也带来了更多的未知量，使得方程无法得到确定的解，引入 经验公式又给工程实际带来了不确定的误差。因此该方法的推广还需要工程实践的进一 步的检验。桩顶刚度等效模型的基本理论是认为桩基对上部平台结构的影响是通过桩顶 刚度来实现的。因此，若能通过某种途径将等效桩项剐度装入结构总体刚度矩阵，进行 2 人连理【大学硕士学位论文 分析求解，即能够满足结构一桩一土的静力平衡与位移的相容条件。桩顶刚度等效法也 叫桩基支座法，在海洋工程中应用比较广泛。其模型实现方法是通过结构分析程序的特 殊功能将桩顶刚度直接装入结构总体刚度矩阵，这样做比对桩基础进行全模拟要简单得 多，比等效桩法更直接，更贴近实际。目前，在流行的有限元程序中，s a p 5 软件可以 用其中的伪单元，s a c s 软件可运行其中的超元程序模块来实现这个模型需要的特殊功 能。但在a n s y s 软件中如何实现这个模型化功能尚未见过相关报道。同时，总结对比 各种模型，探讨它们的适用性也是非常有意义的工作。 处于海洋环境中的导管架平台结构，长期承受随机波浪载荷的作用，结构在这种交 变荷载作用下，在结构材料内要产生随时间而变化的应力，材料抵抗这种交变应力的能 力将随着应力波动次数的累加而降低，这种受到交变荷载作用后，其强度降低的现象称 为疲劳。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 1 0 。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 静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。导管架平台管节点多为焊接结构，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，在上述应力集中区最有可能出现疲劳破坏。 可见，管节点是平台结构的关键部位，同时也是最薄弱的环节。目前，管节点的疲劳分 析已经成为海上平台结构设计和进行安全评估的一个重要环节。 关于管节点疲劳问题的研究主要借助于两个手段，一个是实验研究，另一个是数值 模拟计算。 各船级社如d n v 11 1 、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 1 2 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8 0 年代就开始了管节点疲劳问题的研究，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计算公式。 随着计算机技术的发展，人们开展了管节点的疲劳性能的数值计算研究。英国人 m r m o r g a n 和m m k l e e 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荷载、面内弯矩和面外弯距时弦 3 导管架平台绪构分析模邓化及疲劳断裂性能研究 ( 主) 管与支管相贯线上备关键点的s c f 参数方程。这些关键点是：冠址、冠跟、鞍点 以及处于嚣点和鞍点之闻的中间点 1 3 】。对予层薅耪受弯戆载莓懿髓堤，毯靠l 还棂掇各 关键点的值通过三次曲线拟合得到了沿熬个相贯线的s c f 参数方程。e c h a n g 和 w ，d d o v e r 也用薄夷单元分别对t 、y 、x 昶d t 型管节点嚣3 3 0 个不同参数的模型送 行了有限元分析和计算，并给出了熬于管节点参数的沿相贯线的s c f 计算公式 1 4 。 海洋平台管节点应力强度因子模型是平台寿命预测、断裂失效谔徐的基懿。匿越， 在将断裂力学应用于管节点寿命预测时，首要的就怒要求解裂纹尖端的应力强度因予。 陈阑明、方华烛 1 5 对海洋平台管节点应力强度因子的工程计算模型作了总缡。糁应力 强度因子工程计算模型大致归为以下几类：基于疲势试验的数据模型、平板模型、圆柱 模型、权函数法和基于有5 曼元的数掇模型。基于疲势试验的模型主要蠢p a n 模型、乎垮 应力模型、两阶段模型 1 6 - 1 8 。这类模型同过管节点疲劳试验，从疲劳裂纹的扩展数 据确定管节点的应力强度因予( s i f ) 。假定p a r i s 公式正确描述裂纹豹扩鼹援律，鼹 j j 此有：麒。= ( 二1 警) “”。式中：拳为实测裂纹扩展速率，而c 和棚则是幽标准试件 l 日丹a n 壤劳试验测定的穗关参数。困诧，出a k 可戳求褥y 随辟变他的表达式： f y = - 二= 二箬。这秘方法经d o v e r 1 8 】等人豹努力，实瘸程菠已毒了较大瓣改进。乎叛 o - h 4 z a 模型以平板表面裂纹在拉伸、弯曲两种载荷状态下的应力强度医子为基础，经过适当的 处理和修正得到管节点应力强度因予的近似寝达式。平板表筒裂纹的应力强度因子般 采用n e w m a n r a j u 公式 1 9 进 亍计算。权函数法利用权函数可以确定任意应力分布下 的凝纹的s i f ，但前提是要已知裂纹的菜一参考应力强度因子。应用豳柱模型 1 5 计算 s i f ，目前还只是一种尝试。基于数傻方法对管节点的s i f 进行研究，主要有有限元涣 和边界元法。强静，有限元方法在实际研究审应用彳罨沈较多。一些学者已经邋过有限元 数傻分析建立了一些管节点的s i f 计算模型 2 0 一2 1 。但到鳗前为止，这些引4 算模型还 远不够成熟鞫完善，难以应糟于工程实际。幽于采踊有限元方法研究裂纹尖潲的应力强 度因子 2 2 2 9 是今质研究的主要方向，因此本文尝试在这一方面做一些基础性的研究 工 乍，强硬为后来者豹研究褥供一些参考。 关于实际工程中的疲劳分析方法大致可以分为三大类；s n 曲线法 3 0 ，3 1 、叛 裂力学方法 3 0 _ 3 2 j 黻及可纛性方法 3 3 。两常用于海洋工稻疲劳分析的主要是操作简 单的s n 曲线法。s n 曲线法又可根据其采用的皮力或应变的特点丽进步细化为 。4 夫连瑾| 大学碳| ：学纯论文 名义应力法、热点痤力法、韬霹应力法秘切口应变法。在海洋平台管节点疲劳分援中， 广泛采用热点j 陂力法。 本文繇究瓣b z2 8 + l 涵氍s e w h 平台位予溺海湾海域，扶1 9 8 9 年开始投产运 行，1 9 9 4 年停产 3 4 3 。同前，因开采需要，该平台需要重新开始运行，但到目前为 止，还没鸯对葵送行过详缨的疲劳诗舅。强忿，缀煮蝥簧对其擞一次完熬邋疲势分辑。 本文尝试用a n s y s 结合开发集成的程序模块来对该平台进行谱疲劳分析，以对其疲劳 寿余皴出译绩鞠疆擐。 本文的工作主要为三个部分：第一部分是结构分析模型化研究；第二部分是b z 2 8 1 演爱s e w h 平台蕊疲劳澎念分拯鞭擐，繁兰部分楚裂纹钵建摸技术磺究。按章节 展丌如下： 第一章为钢质导蛰架平台结构分投模型建立，阐述姆譬架平台结构嚣个组分，势采 用a n s y s 软件对b z 2 8 1s e ，w h 平台结构进行整体结构分析建模。 第二章为疲劳分辑黔波浪载蒋计算。由于避萼亍谱疲劳分毒厅最方便的楚采用a i r y 波 理论，放本文编制的波浪载荷计算程序采用的怒a i r y 理论。又因为m o f i s o n 方程只能 蠲于计算作用在直立孤立桩拄上的波浪裁蔚，对导营架橡 孛多为任意斜囱搀件，联以需 要对m o f i s o n 方程进行修正才能用于计算作用在平台构件上的波浪载荷。本文创造性地 运用璇黜向量泼，对m o r i s o n 公式 乍了修正推露，推导过程麓单，步骤明确，结果形式 也比较简单，可以方便地应用于平台任意方向构件的波浪载荷计算。 第三章为瓣定式海滓平台结构一桩一土分析磺究。本摩是本文的重点磺究内容之一， 主要包括三个方面的内容。第方面是桩土相飘作用的研究，本文采用p y 曲线法通 过数傻迭代计算的反力，考虑了土的 # 线性性质，计算结果较为合理。第二方嚣是磺 究上部等管架结构与下部桩基的相互作用。为了达到结构一桩二t 作用的耦合效应，需要 在上部结构与下部结构之间进行迭代计劈。第三方西研究内容楚在总结了现有各耪桩 分析的力学模型的基础上，研究各种模型在a n s y s 软件中的安现方法，并得出了一些 有意义的结论。最后编制了相皮的分析程序。 第四章为钢质导管架平台疲劳分千斤研究。在研究了疲劳分析方法的繁础上，税据一 些工程资料，对b z2 8 - ls e w h 平台进行了完整的疲劳分析。结合先酚编制的程序模 块，计算了平窃在4 个不同浪向，8 个周期( 最大，最小) 共6 4 种工况下的结构响 应，为管节点二次分析提供了边界条件。最后，对主管上一些关键节点进行了二次局部 建模，作了谱疲劳分析，得出了这些关键部位的疲劳寿命，从而为平台的寿命评估提供 了依据。 一5 一 掌管絮平台缭稳分援模型 乞烫疲劳鞭裂牲研究 第蠹辈为表瓣甏绞寄隈元模黧生成方法及应力强度因子繇究。遴过礤究裂纹体鞠格 剖分特点，提出了一种生成裂纹体网格模魁的简便方法，在该方法中采用了混合模式的 擎元连接方式。疲爱谈方法建立了含表嚣裂纹的平叛绩秘模型，磷究了裂纹靛缘懿擎元 边长l 与裂纹深度a 之比对裂纹尖端应力强度因子计算结果的影响，并将本文方法计算 结莱与n e w 搬a n - r a j u 公式计算结荣 乍了比较。 参考文欺 【1 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m e t r i ce q u a t i o n s 赫t u b u l a rx a n d d t j o i n t s i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f f a t i g u e a u g 1 9 9 6 ；v 0 1 1 8 ( 6 ) ：3 6 3 3 8 7 c 1 5 】陈阂明，方牮舶海洋平台管节点应力强度阂子酶工程计算模鳖b 】石漓大学学掖 ( 自然科学版) ，1 9 9 5 ，v 0 1 1 9 ，n o 1 6 丛堡堡i ：丛堂婴主堂笪堡苎 1 6 p a nrb e ta 1 af r a c t u r em e t h o d sa p p r o a c ht on o n - l a p p i n gt u b u l a rk j o i n t sf a t i g u e l i f ep r e d i c t i o n j p t 1 9 7 9 2 9 ( 4 ) ：4 6 1 4 6 8 17 l s e t u b e * , f p b r e n n a n ，wd d o v e r r e v i e wo fe m p i r i c a la n ds e m i e m p i r i c a lyf a c t o r s o l u t i o n sf o rc r a c k e dw e l d e dt u b u l a ri o i n t s j m a r i n es t r u c t u r e s 1 9 9 9 ，1 2 ：5 6 5 - 5 8 3 1 8 d o v e rwd d h a r m a v a s a ns f a t i g u e f r a c t u r em e c h a n i c sa n a l y s i so fta n dy j o i n t s o t c4 4 0 4 1 9 8 2 1 9 n e w m a njc r a j uis a ne m p i r i c a ls t r e s s - i n t e n s i t yf a c t o re q u a t i o nf o rt h cs u r f a c e c r a c k e f m 1 9 8 1 1 5 ( 1 2 1 ：1 8 5 1 9 2 2 0 r h e eh c h a ns ，g i p s o ng s r e l i a b i l i t yo f s o l u t i o nm e t h o da n d e m p i r i c a lf o r m u l a so f s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sf o rw e l dt o ec r a c k so f t u b u l a rj o i n t s p m c1 0 t ho m a e 1 9 9 1 ，3 ：4 4 1 4 5 2 2 1 h a s w e l ljv ag e n e r a lf r a c t u r em e c h a n i c sm o d e lf o rac r a c k e dt u b u l a rj o i n t sd e r i v e d f r o mt h er e s u l t so f af i n i t ee l e m e n tp a r a m e t r i cs t u d y p r o c1l t h0 m a e 1 9 9 2 ，3 ：2 6 7 2 7 4 2 2 中国航空研究院应力强度因子手册 m 科学出版社，1 9 9 3 2 3 s p c h i e w ，s t l i e ，c k l e e ，z w h u a n g ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sf o r as u r f a c ec r a c ki na t u b u l a r t - j o i n t i n t e m a t i o n a lj o u r n a l o f p r e s s u r ev e s s e l sa n d p i p i n g 2 0 0 1 ，7 8 ：6 7 7 - 6 8 5 2 4 m m k l e e ，d b o w n e s s e s t i m a t i o no f s t r e s si n t e n s i t yf a c t o rs o l u t i o n sf o rw e l dt o ec r a c k s i no f f s h o r et u b u l a ri o i n t s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f f a f i g u e 2 0 0 2 ，2 4 ：8 6 1 - 8 7 5 2 5 1a n t h o n yr i n g r a f f e a c 0 砌惦l i um a m i s t r e s s - i n t e n s i t yf a c t o r c o m p u t a t i o n1 nt h r e ed i m e n s i o n sw i t hq u a r t e r - p o i n t e l e m e n t s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lf o rn u 匝r i c a l 哐t h o d s i n e n g n e e r i n g 1 9 8 0 ，v o l 1 5 ，1 4 2 7 1 4 4 5 2 6 j a nc e r v e n k a ，v i c t o re s a o u m a m j 口团r i c a le v a l u a t i o no f3 - ds i f f o ra r b i t r a r yf i n i t ee l e m e n tm e s h e s e n g i n e e r i n g f r a c t u r e m e c h a n i c s w 0 1 5 7 , n o 5 ，p p5 4 1 5 6 3 ，1 9 9 7 2 7 x w a n g ，s b l a m b e r t o nt h ec a l c u l a t i o no f s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r sf o rs u r f a c ec r a c k si n w e l d e d p i p e - p l a t ea n dt u b u l a r j o i n t s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f f a t i g u e 2 0 0 3 ，2 5 ：8 9 9 6 2 8 m m k l e e d b o w n e s s f a t i g u ea n a l y s i s o ft u b u l a l ej o i n t s u s i n g f i n i t e e l e m e n t s f a t i g u ei no f f s h o i t es t r u c l l 珏 e s 1 9 9 6 v 0 1 1 2 2 3 2 5 7 2 9 s s e e t h a r a m a n ，d s s r e e d h a r f a t i g u ea n a l y s i sa n df r a c t u r em e c h a n i c s f a t i g u ei n 0 f f s h o r es t r u c l l 7 r e s 1 9 9 6 v 0 1 1 2 5 9 - 3 0 9 3 0 陈传尧疲劳与断裂 m 华中科技大学出版社，2 0 0 2 3 1 郑学祥船舶及海洋工程结构的断裂与疲劳分析 m 海洋出版社，1 9 8 8 7 警管黎乎蠹臻筠分掇模裂他及疲劳断裂性l 矮究 c 3 2 】李滋升，躅承芳。工程断襄力学 鹾】。大连理工大学窭薇幸主，1 9 9 0 。 3 3 胡毓仁，陈伯真船舶及海洋工程结构疲劈可靠性分析 m 人民交通出版社， 1 9 9 6 3 4 b z2 8 1s o u t h e a s t p l a t f o r ms t r u c t u r er e a n a l y s i sr e p o r t c h i n a e 妇s s 丑醚c a t o 挺s 0 e 毯善y ，2 2 。 一s 人连理_ 人学硕士学位论文 1 钢质导管架平台结构及建模 1 1 概述 钢质导管架平台是由导管架通过钢管桩固定于海底的结构。这种类型的海洋平台由 上部结构和基础结构两部分组成。上部结构指平台的甲板梁、板、立柱等结构。基础结 构又叫支承结构，由导管架和桩组成。本章主要介绍了导管架平台结构特点及国内外的 主要几种结构型式。在对导管架结构力学模型作了研究分析的基础上，以b z2 8 1 s e w h 平台为例，阐述应用a n s y s 软件进行结构分析的建模过程。 1 2 导管架平台结构特征 导管架平台可分为三个主要组成部分 1 ，2 ，即上部结构、导管架和桩，如图1 1 所示。 甲板鬃 甲畿秘 卜 卜 图1 1 导管架平台的主要构成 f i g 1 1m a i n s t r u c t u r em e m b e r s o f j a c k e tp l a t f o r m 9 导静架平台结构分析授1 9 化及疲劳断裂陡能研究 一、上部结构 上部续构包括平台甲檄、甲板支撞跌及屡闻旅絮绩梅，对钻井平台，甲板以两爨屡 多，对于采油平台，有时可采用单艨甲板的趟式。甲板结构的主要作用是在海上为钻井 或袋油提供足够的场地，以便在其上毒l 罨链势或采油设冬、辅助设餐、各毒申生活设施以 及供直升飞机升降。甲板结构有甲板扳和相应的构架组成，甲板本身必须有足够的强度 柬承受其上的各种设备蕊重。 二、导管架结构 导管架是由导瓣( 桩腿) 和连接结构的纵横撑好组成的空间结构。它是由柔性构l 孛 用刚性结点连接而成，这些结点不仅传递轴力，而且也传递弯矩。在结构计算中，可以 将它考虑为国一系列线性单元通过缕点组合瓶成。每一单元近似为一结构构传，每结 点就是联接线性单元的理想化结点。结点在分析中越协调单元位移和保持应力连续性的 作用 3 。器管状构 孛相交处形成了管状节点结构，由于管节点的几何形状复杂并受爆 接影响，故其应力集中系数很高 4 j ，容易发生疲劳破坏，霸此它楚导管架平台的重要 结构部位，在设计中需要特别注意。在局部分柝中，嚣要用壳单元或者体单元柬模拟管 节点结构，以得到比较精确的计算结果 5 - 7 。平台进行海上安装施工时，释管架主要 作用是能傺证桩基施工时，桩f 确的定位和导向。导管架欧了要承受海上的环境载箍 外，还要承受上部结构的载衙，并褥这些载衙较均匀地传到桩基上。在使用上，导管架 还可以用来系靠船舶。以便于供应船靠离平螽。 三、褴 桩的作用是把平台固定予海底并承受横向载箍茅n 垂向载荷。桩通过导管架打入海底 中，由擎桩组成群桩以形成桩基础。上部缩构和鲁管架的载荷通邋桩基础传入地基。 在结构分析中，一般作如下假设 8 ： ( 1 ) 桩的材料为线弹髋材料。 ( 2 ) 桩的轴线是垂直向下的，不计桩的轴向力对挠度的影口向。 桩的计算公式怒建立在上面弦设的蓦确上的。作瘸在地衮桩顶她的力主接有导管架 传绘桩的水平力吼和弯矩 靠，出于裁荷的作用使桩产生挠度，从而与地基发生相互作 用。地基反力p ( x ，y ) 是关予深度了与桩的挠度y 的函数。本文采用有限差分法对桩基础 进行分析计箨。其慕本原理是将桩身分成若于个单元，对予每个单元节点i ，用差分式 近似地代替微分方程中的导数式，从而将微分方程转变为一缀代数差分方程f l ，8 ，9 】。 。1 0 大连理j ：大学硕士学位论文 在有限元建模中，桩可以应用梁单元( 下端固定或者弹性支鹰) 、弹簧元( 线性或 非线性) 或者程序其它特殊功能i 寒模拟，健具体擎元参数篱要逯避结掬一桩一的分横褥 到。关于桩土分析及结构一桩一土作用分析详见本文第四章。 l + 3 国内导管架平叁的生要结构型式 一、上部结构的主要型式 导警架平台上部结鞠瓣型式霹戮分舞：孛蓐檠式( 强1 2 ) ；粱、叛、楼缀藏熬框絮 式( 图1 3 ) 以及兼而有之的混合式( 图1 4 ) 。桁架式结构特点魑整个结构由梁和桁架 等秘终缓成，上下层平台擎叛出掺絮联结麓整髂续擒，承受终建亵零蔹上豹载蔫，并逶 过桁架将载荷传给导管架及桩基。由梁、板、立柱组成的框架式结构其特点是上下层甲 叛囊立桂联结为熬髂缤构，零受佟鼹在擎叛上妻錾泼莓，载药逶 妻立毒主藩绘导警絮葶羹摭 熬。立植一般是直接放在桩顶上，当桩的距离较大时，可