（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）导管架平台冰振疲劳特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 冰载荷对于在冰区服役的海洋结构物是结构损伤、寿命及安全性的主要影响因素。 冰激振动会使结构产生疲劳损伤。较高的极值冰载荷甚至会造成结构在短时间内发生破 坏导致平台倾覆。交变冰力引起的结构交变应力必将导致结构的局部疲劳损伤。在海洋 平台的设计中，对冰振疲劳损伤的研究是至关重要的。 本文的课题背景系渤海石油公司j z 2 0 。2 n w 导管架平台结构冰振疲劳计算项目。本 文根据平台的特点和现有的设计资料，提出进行冰振分析所需基础数据的要求和分析方 法及步骤：根据提供的环境资料和相关的基础数据，对冰数据进行筛选，得出适合本项 目的数据资料；根据所筛选的数据，对结构进行数值模拟分析，针对冰数据分布，进行 冰振分析模型的筛选，从工程实际出发，合理考虑结构和冰的相互作用，并得出冰振的 响应曲线；根据响应曲线，对现有结构进行疲劳分析。 在完成导管架平台管节点冰振疲劳强度计算分析的基础上，本文探讨了动冰力发生 线性变化时结构疲劳损伤的变化规律，从而可以改进计算方案，极大缩小计算工作量， 为今后该类型问题提供了有效的解决方案。 关键词：海洋平台；冰载荷；冰振疲劳 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 s t u d y0 1 1i c e i n d u c e df a t i g u ec h a r a c t e r i s t i co fj a c k e tp l a t f o r m a b s t r a c t i c el o a di st h em o s tp r e p o n d e r a n tf a c t o rt ot h ew o r k i n go f f s h o r ep l a t f o r mi ni c er e g i o n i c ei n d u c e dv i b r a t i o n sw i l lr e s u l ti ns t r u c t u r a ld a m a g et oa n ye x t e n t 。t h eh i 窖h e rl e v e lo f m a x i m u mi c el o a dw i l le v e nc o m p l e t e l yp u s ho v e rt h es t r u c t u r ei nas h o r tt i m e a l t e r n a t i n g s t r e s sp r o d u c e db ya l t e r n a t i n gd y n a m i ci c ef o r c ee v i d e n t l yr e s u l t si nt h ep a r t i a lf a t i g u ef a i l u r e a c c o r d i n g l yt h ei c e i n d u c e df a t i g u ea n a l y s i si sv e r yi m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a t i v ef o ro f f s h o r e p l a t f o r m t h j sp a p e ri sg r o u n d e do nt h ep r o j e c tf r o mb o h a io i l f i e l ds e r v i c e sl t di nw h i c ht h e t u b u l a rj o i n t si c e i n d u c e df a t i g u es t r e n g t ho fj z 2 0 2 n wj a c k e tp l a t f o r mi sa n a l y z e d b a s e d o 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 0 r m a t i o nr e c e i v e d ，t h ed a t an e e d e df o r c 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 1 1 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 db yc o n t r a c t o r ，t h ed a t aa r ea n a l y z e da n dt h eu s e f u l sa r es e l e c t e d ；a c c o r d i n gt ot h e s e x w i c e a b l ed a t aa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ei c ed a t at h es t r u c t u r e sn u m e r i c a im o d e li sf o r m e d a n di c e s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm o d e li sd e c i d e dt og e tt h es t r e s sr e s p o n s ec u r v e ；w i 血t h e s t r e s sr e s p o n s ec u r v ec a l c u l a t e do u tt 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 v e d a f t e rt h ef a t i g u ed a m a g ea n a l y s e so ft h ep l a t f o r mh a v eb e e nd o n e ，t h er e l a t i o nb e t w e e n i c ef o r c ea n dt h e ，f a t i g u ed a m a g ei sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra n da l la p p r o a c ht or e d u c et h e c a l c u l a t i n gw o r kh a sb e e nf o u n d 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 sp a p e rw i l lg i v e v 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 ea n a l y s i so f i c e - i n d u c e ds t r u c t u r ef a t i g u es t r e n g t h k e yw o r d s ：o f f s h o r e ；i c el o a d ；i c e - i n d u c e df a t i g u e 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：茎委丝日期：丛： 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：嘭芝矿作者签名：丝垄丝互 导师签名盔二 ：! 疰年上月l 日 大连理工大学硕士学位论文 引言 近几十年来，在英国的北海、美国的库克湾、加拿大的b e a u f o r t 海、俄国的k a r a 及我国的渤海等结冰海域相继发现了油气构造。为了开发冰区海洋油气资源，各石油公 司建立了海上生产和生活设施海洋平台。平台的安全运行，对于海洋石浊开采是极 其关键的。由于对海冰作用特性了解不够，平台结构设计上存在不足，曾多次导致平台 结构被冰推倒的事故发生。1 9 6 4 年美国阿拉斯加库克湾的两座钻井平台被冰摧毁。1 9 6 4 年美国阿拉斯加库克湾的两座钻井平台被冰摧毁。1 9 6 9 年渤海老2 号采油平台全部被 冰毁坏。1 9 7 7 年春季，渤海老4 号生产平台曾发生长达十天左右的强烈冰振。进入八 十年代后，锦州2 0 一2 导管架平台在测冰期间和投产后，均遭遇较严重的冰激振动。 诸多冰毁事故使得许多国家开始重视海冰的研究工作。加拿大、美国、芬兰等国冢 分别在冰的物理力学性能、冰与结构相互作用、冰的微观结构观测计数等方面开展了广 泛的研究。我国对结构冰激振动的研究始于1 9 6 9 年渤海冰毁事故之后，由渤海石油公 司、大连理工大学及中国科学院青岛海洋所合作，对1 9 6 9 年出现的特大冰封进行分析， 并连续三年进行了现场观测及冰压力试验研究。近2 0 年来，渤海石油公司、辽河油田 及胜利油田，先后与国外公司、国内高校及科学院所等2 0 多个单位合作，在国内首次 进行了低温环境下海洋用钢及焊接接头常规疲劳特性和裂纹扩展特性的试验研究、随机 疲劳冰载荷作用下疲劳裂纹扩展特性的试验研究、平台用钢焊接接头在不同温度下断裂 韧性分布规律的试验研究以及冰区平台疲劳设计方案、随机冰载作用下平台疲劳断裂可 靠性的研究。所有这些研究工作以及各种冰工程技术的应用，使我国在这一领域走在了 世界的前列。 我国海冰主要分布在渤海。渤海冬季受西伯利亚冷空气的影响，最低气温达- - 2 2 摄氏度，一般从1 2 月到次年3 月中旬约有三个半月的结冰期，冰情较为严重。因此对 于渤海地区的海洋平台来说，必须考虑海冰载荷的作用。渤海目前探明的石油储量中， 边际油田约占l 2 ，是我国路上东部油田的主要接替所在。因此，加速渤海油气田的勘 探开发已刻不容缓。渤海钻井、采油均需要平台，平台用钢约占总投资的三分之一。因 此，合理设计平台，延长使用寿命，无疑会带来很大的经济和社会效益。为了提高平台 在冰区服役的安全可靠性，必须准确合理的估算平台的疲劳寿命。 就结构强度而言，海洋平台的安全性一般是通过保证结构在外载荷作用下的效应小 于相应的结构承载能力的某个百分数的方法来实现的，也就是在结构强度上留有一定的 安全储备。海洋平台结构破坏的模式有下列四种：屈曲失效，屈服失效，疲劳失效，脆 性破坏失效。 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 疲劳失效以及由疲劳裂纹引起的其他失效形式载平台的失效模式中占有相当大的 比例，预防和控制平台构件的疲劳失效对于海洋石油的安全生产具有极其重要的意义。 国外海洋石油工程界大约于七十年代初开始广泛重视海洋结构疲劳断裂及其可靠性评 估的研究，经过多年的努力，取得了较大的进展。具体表现在： 在海洋平台构件疲劳断裂实验研究基础上，深入展开了各类管节点应力集中系数、 应力强度因子计算模型、平台构件随机疲劳应力评估、海洋平台用钢及构件疲劳断裂实 验数据综合评估与分析等应用基础研究，为应用断裂力学方法对管节点进行精细疲劳分 析打下了良好的基础。 由研究重点放在通过s - n 曲线疲劳损伤评价方法建立疲劳可靠性模型，转移到以 断裂力学为基础，应用概率断裂力学方法来解决海洋钢结构的疲劳可靠性评估问题。 d n v 已将此引入平台设计规范。 从只注重设计阶段的疲劳断裂可靠性预测到重点考虑检测和维修对疲劳断裂可靠 性的影响，目前，已有多个模型可供选用。 有关疲劳断裂参数统计特性的数据进一步积累，为海洋结构可靠性的定量评估创造 了条件。 国内在八十年代才开始开展海洋结构疲劳强度的研究，原国家经委曾花费巨资，资 助开展进口材料管节点和国产材料管节点的疲劳强度研究，国内多家单位开展了应用断 裂力学技术评估海洋平台疲劳寿命的研究，虽然成效显著，但有关冰区平台的疲劳分析 与评估方面的研究则较少见文献报道。一些平台规范，如a p ir p 2 n 、挪威d n v 规范 等仅给出了波浪作用下平台疲劳分析的一般推荐作法，a p ir p 2 n 是一个专门用于冰区 平台的规范，建议必要时，需要对冰载引起的疲劳损伤进行评估，但没有给出具体方法。 此外，国外应用疲劳可靠性理论指导海洋平台检测维修的优化也取得了很好的效果，经 济效益显著，但他们的研究仅局限于考虑波浪引起的疲劳损伤，研究成果不适用冰区平 台。 大连理工大学硕士学位论文 1 概述 1 ，1 海洋平台结构安全评定的意义 我国海域辽阔，大陆海岸线长达1 8 0 0 0 多公里，大陆架面积约有1 i o x1 0 4 k m 2 ，管 辖海域近3 0 0 x1 0 2k m 2 。渤海、黄海、东海和南海都有大面积的沉积盆地，石油资源储 量约4 0 0 x1 0 4 t 、天然气约1 5 x1 0 1 2m 3 。浩瀚的大海是人类社会可持续开发利用的资 源宝库。 海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。 自1 9 4 7 年墨西哥c o u i s s a n a 海域建造第一座钢质海洋石油开采平台以来，随着海洋油气 资源开发的大规模发展，世界上已建造有近6 0 0 0 座海洋石油开采平台。目前建造使用 的海洋平台结构型式主要有固定式( 包括钢质导管架式、顺应塔式和钢筋混凝土重力 式) 、半浅式( 包括钻井船等浮动采油系统) 和张力腿式。各种类型的海洋平台结构及 其适应水深如图1 1 和图1 2 所示。 图11 海洋平台结构的基本型式 f i 9 1 1t y p i c a lp l a i f o r ms t r u c t u r e s 我国海洋平台结构的主要型式式固定式导管架结构，此外，还有自升式钻井船、单 点系泊和人工岛等。我国从2 0 世纪6 0 年代起开始在渤海勘探和开发海上石油，目前已 建成海洋平台1 0 0 余座，其中水深超过3 0 m 的平台5 0 余座，南海和东海的采油平台所 处海域最大水深达到3 3 2 m ，导管架平台的最大水深己达到1 4 6 m 。随着我国渤海大油田 的开发，近五年还将建设1 0 0 余座海洋平台。 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 图1 2 海洋平台结构型式及其适应水深 f i g 1 2 1t y p i c a lp l a t f o r ms t r u c t u r e sa n da d a p t a b l ew a t e rd e p t h 海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是与陆地结构相比，它所处的海洋 环境十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于其结构，同时还受到地 震作用的威胁。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、地基上冲刷和基础动力软化、 材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤累积等不利因素都将导致平 台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。历史上对于海洋环境 的复杂性和随机性以及平台结构的损伤累积和服役安全度认识不充分，国内外都曾有多 次海洋平台的事故，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。例如，1 9 6 4 年冬，美 国阿拉斯加库克湾两座新建的钻井平台被海冰推倒。1 9 6 5 年，英国北海的“海上钻井” 号钻井平台支柱上的拉杆发生脆性断裂，导致平台沉没。1 9 6 9 年春，我国自行建造的 渤海老二号平台被海冰推倒。1 9 8 0 年3 约，北海e k o f i s k 油田的a l e x a n d e rl k i e l l a n d 号钻井平台由于一支腿因为疲劳裂纹引起断裂，致使整座平台倾覆，导致1 2 2 人死亡。 在1 9 9 2 年的a n d r e w 飓风中，墨西哥湾总数为3 8 5 0 座平台中又有1 9 座平台损坏至不 能使用，这些平台大部分是1 9 6 5 年前设计建造的。此外，海洋油气开采是故也给平台 结构、生命财产和环境污染造成了灾难性的后果和巨大的损失。2 0 0 1 年4 月巴西p 一7 平台发生井喷，造成1 - 3 万升原油流入大西洋。海洋油气资源开发事故的惨痛教训令世 人震惊。这些惨痛的教训给海洋资源开发以很大的警示，同时也促使国内外一些国家政 府和海洋石油部门加倍地投资以促进科研与工程技术人员致力于海洋平台安全与防护 的科学技术研究， 大连理工大学硕士学位论文 1 2 冰力作用模型与冰激振动 海洋环境作用，诸如风、海浪、海流和冰等作用，严格地说都是动力荷载，而且是 随机动力荷载。风、海浪和海流等动力作用已有比较成熟的随机过程模型，如众所周知 的脉动风速d a v e n p o r t 谱或s i m i u 谱模型以及波浪力作用的i o n s w a p 联合谱型。 高纬度海域海冰对结构的作用是海洋平台结构设计和安全运营的重要影响因素。渤 海是我国唯一冬季结冰的内海，同时也是我国重要的海洋油气开发基地。从莱州湾、渤 海湾到辽东湾，每年都出现不同程度的冰冻，特别是辽东湾北部，冬季冰期长，冰分布 范围广，冰源厚，是渤海漂浮冰的主要基地。因此，海洋平台结构的动冰力特性和冰致 振动机理以及冰致结构疲劳累积损伤分析是我国海洋结构工程领域的重要研究课题。 冰对结构的作用是一个动力过程，结构在动冰力作用下产生振动。描述动冰力诱发 结构振动的代表性冰致振动理论有强迫振动理论、自激振动理论和耦联振动理论。 p e y t o n ( 1 9 8 6 ) 根据对阿拉斯加库克湾海冰对平台结构动力作用的现场观测结果的 分析，认为库克湾海冰作用与平台结构形式五官，海冰的破碎具有固有的周期性，海冰 的破碎频率约为1 h z 。这一结论进一步得到n e i l ( 1 9 7 6 ) 和m i c h e l ( 1 9 7 8 ) 海冰原型观测 和模型试验结果的支持和发展，形成了冰致强迫振动理论的基础。m a t l o c k ( 1 9 7 1 ) 根据库 克湾海冰现场观测的结果并考虑柔性结构的特性，将冰处理为具有一定破碎长度的并 排，提出了冰与结构相互作用的冰排模型，这一模型在中美联合研究的“渤海海冰设计 标准”项目中得到了进一步的改进。基于强迫振动理论的冰激振动模型振动方程的形式 为： 【 彳 x ” + c 】 工) + 【世】 工) = ( f 0 ) ( 11 、 基于实测冰力历程的模型采用的振动方程形式与( 1 1 ) 式相同。但方程右端的冰力 则是基于实测冰力历程或模型试验所测的冰力历程转换得到的。一般做法是令冰力历程 中的最大值等于最大静冰力值，应用实测冰力历程模型的关键是选用典型的冰力历程曲 线。对于相同类型的平台结构，如果冰况大致相同，可以应用同一种冰力历程曲线分析。 基于实测冰力历程曲线进行动力分析，可以比较有效的描述冰与结构相互作用时的随机 不确定因素。 美国b l e n k a r n 最早采用自激振动理论来解释冰激振动现象。其后，芬兰m a a t t a n e n 进 一步完善了冰激振动的自激振动模型 6 1 。该模型认为冰排引起的结构动力响应是一种负 阻尼效应，在一定的加载速率范围内，连续挤压冰强度随加载速率的增加而降低。由此 导致动力失稳，出现冰激振动。 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 m a a t t a n e n 模型的缺陷是忽略了冰力原有的破碎频率及其影响，为此，文献【9 】提出了 冰力振子模型，该模型认为冰激振动是一种耦合振动。冰与结构两个动力系统相互作用， 互相耦连，幽此建立冰力振子方程和动冰力作用下线性结构的运动方程，来联合描述冰 与结构的相互作用过程。既考虑冰激振动的自激性，同时又考虑其周期性。 在j z 2 0 2 n w 简易平台的疲劳强度计算中，具有典型段的冰力时程曲线，采用了强 迫振动理论。 1 3 海洋工程结构疲劳损伤机理 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。本节将介绍疲劳分析的一般方法及其在海洋工程中的应用。 1 3 1 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。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， 大连理工大学硕士学位论文 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1 3a 所示。 f - - a 圆轴的宏观断面b 微观疲劳扩展区 图1 3 疲劳断口上三个特征区的示意图 f i g ，1 3s k e t c hm a p o f f r a c t u r es u r f a c e ss h o w i n gn u c l e a t i o n ，b e a c hm a r k sa n dc o a r s ea r e a 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13b 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 3 2 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。 ( 1 ) s - 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 力范围或塑性应交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到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 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 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，通过人为地定义菜一状态为“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： s n ：= a 式中s ，为作用在结构上的定常交交应力的应力范围；n r 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，线性损伤法则假定； a ) 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； b ) 载荷块的顺序不影响疲劳寿命； c ) 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a 口i 的第i 个载 荷块的循环数，用n i 来表示在oi 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： 喜寿= - ：， 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： a ) 小于疲劳极限的应力对损伤不起作用； b ) 同一载荷块内，oi 须是对称循环变应力，或等效成对称循环变应力； c ) 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oi 作用一次，其损伤率为1 n 。： d ) 加载的顺序变化，不应该影响零件的疲劳寿命。 大连理工大学硕士学位论文 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 疲劳累积损伤假说有很大的 k一 局限性，失效时的m i n e r 数值通常大约在o 3 3 0 之间。即：f _ i = o _ 3 3 0 ，并不永 面v 。 远等于1 。其局限性主要表现在以下几个方面： k“ a ) 载的顺序不n ，m i n e r 数值也不同。当加载方式呈递增的顺序时，鲁 1 ；当加载 了iv。 k。 的方式呈递减的顺序时， 1 ；当加载的方式呈随机变化 百月， k” 时，y 旦：0 6 1 6 ； 瓮 。 b ) 如果应力是非对称循环变应力时，随着平均应力1 盯。l 相对于应力幅i 1 的比值愈 大，实际的m i n e r 数值愈大； c ) 当有短期的尖峰载荷作用在构件上时，实际的m i n e r 数值大于1 ； d ) 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 ) 断裂力学方法 在相当长的一段时间内，材料力学是作为门以防止断裂为主要任务的学科而存在 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，也不可能各向同性：而且组织中有微裂纹，甚至宏观裂纹等 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 缺陷存在。这样，就产生了断裂力学。断裂力学认为材料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，把材料看成是有徼裂纹或缺 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。 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间。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) 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。 断裂力学中用以描述裂纹扩展速率的帕里斯公式，已为国际上广泛承认，因而以帕 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 构的研究设计方面己得到了广泛的应用。 ( 3 ) 可靠性方法 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。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 大连理工大学硕士学位论文 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，疲劳寿命太子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二 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。 今年来，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。 1 3 3 疲劳分析方法优缺点及工程应用 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 ，用断裂力学法预报裂纹的扩展寿命t 。然后全寿命t d = t j + t 。，但这样做方法上比 彭贵胜：导管架平台冰振疲劳特性研究 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，并不能从根本上改善预报寿命的离散度。 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。 它又可以分成如表1 1 所示的四种方法。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。 表1 1 四种s - n 曲线法的比较 t a b l e1 1s u m m a r yo f 4d i f f e r e n ts - nc u r v ea p p r o a c h e s 描述疲 校核疲劳所用劳强度 方法名赫主要的优缺点各注 的应力所用的 s - n 曲线 名义应力 s - n 曲线对应力计算最简单：在船舶疲劳校 盯= 盯n 应于给定节计算精度取决于s n 曲线的选择；捩中常用的方 法 点型式需要的s - n 曲线很多。 法 s - n 曲线 k 6 的计算有一定的工作量； 热点应力 d = k g o n 对应子 需要的s - n 曲线数目较少； 海洋平台疲劳 给定焊 k g 与丘。的分离有时比较困难； 校核常用的方 法 热点附近的应力并不总是线性分 法 接方式 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 切口赢力 s n 曲线 节点的应力离散度大； 法 o - = k g k 。on 对应于 在设计阶段，焊接形状未知，需要 应用较少 作保守估计： 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。 切口应变 s - n 曲线对 可以考虑材料的弹塑性影响：研究文献 法 s = k g k 。占。 应于g n 计算计算工作量大。 提到 曲线 大连理工大学硕士学位论文 参考文献 1 方华灿，海洋石油钢结构的疲劳寿命，石油大学出版社， 2 a a l m a r n a s s f a t i g u eh a n d b o o k 1 9 8 8 3 abc a i m m a e r t ，db m u g g e r i d g e i c ei n t e r a c t i o nw i t h r e i a h o l d ，1 9 8 8 ：5 5 7 7 1 9 9 0 ：1 8 9 2 6 5 o f f s h o r es t r u c t u r e s v a nn o s t r a n d 4 4 徐继祖，王翎羽，冰力振子模型极其数值解天津大学学报1 9 9 5 ，4 ：2 8 3 4 【5 m a t l o c kh ，d a w k i n swp a n a l y t i c a lm o d e lf o ri x e s t r u c t u r ei n t e r a c ti o nj e n g m e c 1 9 7 l ，4 ：1 0 8 3 1 0 9 2 6 m a t t a n e n ，a d v a n s e s i ni c em e c h a n i c si nf i n l a n d ，a p p lm e c hr e s ，1 9 8 7 ，4 0 ( 9 ) ：6 5 8 6 6 5 7 徐继祖海冰引起的机构振动海洋工程1 9 8 6 ，4 ( 2 ) ：4 2 - - 4 7 8 陈德彬王翎羽冰与结构动力相互作用德理论分析模型海洋学报1 9 9 3 ，1 5 ( e ) ：1 4 1 1 4 6 9 徐继祖王翎羽。冰与结构相互作用的理论分析模型，海洋学报，1 9 9 3 ，1 5 ( 3 ) ：1 4 1 1 4 6 1 0 s s u r e s h 著材料的疲劳 m 国防工业出版社1 9 9 9 年第二版。 1 1 1 3 t hi n t e r n a t i o n a ls h i pa n do f f s h o r es t r u c t u r e sc o n g r e s s1 9 9 7 1 8 2 21 9 9 7t r o n d h e i m ， n o r w a y 1 2 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 。 1 3 m i n e r ，m a c u m u l a t i v ed a m a g ei nf a t i g u e j jo fa p p l i e dm e c h n i c a s ，1 9 4 5 ，6 7 ，1 5 9 1 6 4 1 4 方华灿海洋石油钢结构的疲劳寿命：模糊概率断裂与损伤力学的应用 砌石油大学出版社， 】9 9 0 。 徐灏疲劳强度 m 高等教育出版社，1 9 8 8 。 胡毓仁，陈伯真船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析 m 人民交通出版社，1 9 9 7 。 王东海等船舶结构疲劳寿命两种分布格式的比较 j 船舶工程，1 9 9 8 ( 3 ) ：1 2 1 4 。 1 8 c u iw e i c h e n g ap r e l i m i n a r yr e v i e wo fr e c e n td e v e l o p m e n t si nl i f ep r e d i c t i o nm e t h o d s o fm a r i n es t r u c t u r e j 船舶力学，1 9 9 9 ( 1 2 ) ：5 5 7 9 。 1 3 堑量壁! 量笪墨兰鱼鲨燮蔓壁竺竺壅 2 环境载荷计算 海洋结构安全的因素主要考虑结构的极限强度( 极端环境下的屈服) 、屈曲、结构 疲劳和断裂四种失效形式。环境的作用是结构失效的直接因素，海洋结构在渤海除了经 受风、浪、流、地震的作用外，冰的威胁是一个更加突出的问题。我们知道，风和流对 疲劳的贡献很小，地震由于是瞬时作用，其产生的疲劳累计也可以不计，海洋结构的疲 劳通常只考虑波浪的作用。2 0 多年的油田开发经验和大量的计算校核表明，在渤海湾作 业的属于c n o o c 的导管架平台( 在役平台) 在渤海的风浪条件下所累计的疲劳损伤完 全可以忽略不计，结构的疲劳损伤主要来自冰的作用。计算结构在冰激振动条件下所产 生的疲劳一直是平台结构设计和安全性评估无法回避的问题。对重冰区j z 2 0 2 的简易生 产设施，冰激振动的疲劳倍受结构设计的关注。 根据段梦兰