（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 对于寒区的海洋平台，当冰情出现时，海冰载荷将成为平台的主要控制载荷。海洋 平台在随机的海浪和海冰载荷作用下，其构件将产生疲劳损伤，成为海洋结构物的损伤、 寿命及安全性的主要影响因素。为了保证海洋平台在服役期间能够满足可靠性要求，在 设计初期以及服役过程中对其进行安全可靠性评估时，需要对平台重要构件的累积损伤 和疲劳寿命进行评估，并以此作为整个海洋平台疲劳寿命评估的主要依据。 传统累计损伤的计算方法，都是根据m i n e r ；糊j ，将疲劳损伤的产生看成一个确定 性的事件，即疲劳应力幅大于疲劳极限则产生疲劳损伤，否则不产生疲劳损伤，忽略了 小于疲劳极限特别是略小于疲劳极限的应力幅所产生的疲劳损伤。因而，计算得到的累 积疲劳损伤和疲劳寿命与实际情况有较大差距。本文基于模糊数学理论，将海冰作用下 结构所产生的疲劳损伤看成模糊事件，通过两种模糊隶属函数，分析考虑模糊疲劳损伤 后的改进低温s - n 曲线，即低温模糊s - n 曲线，并确定了其适用范围及参数选择方法。 本文对低于疲劳极限的应力幅所产生的疲劳损伤进行分析，修正了m i n e r 准则，计 算结果比较接近实际的累积损伤情况；同时通过模糊疲劳寿命估算方法，对j z 2 0 2 n w 平台进行了疲劳寿命评估，计算结果说明对重要结构进行模糊疲劳分析将使累积损伤的 计算和疲劳寿命的预估更加准确，较常规计算方法得到的结果更加安全合理。因此，可 将此方法推广到冰区海洋钢结构工程当中，用于可靠性要求高的重要构件的设计以及冰 区海洋平台结构服役期的重要构件的疲劳寿命评估。 关键词：海洋平台；海冰；模糊；累积损伤；疲劳寿命 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fi c ei n d u c e df u z z yf a t i g u eo fo c e a n p 1 a t f o r m a b s t r a c t t o w a r d st h eo f f s h o r ep l a t f o r mi ns e ai c ez o n e ，s e ai c el o a di st h ep r i m a r yc o n t r o li o a dw h e n i c ec o n d i t i o n sa p p e a r 髓es t r u c t u r ep i e c eo fo c e a np l a t f o r mw i l lg e n e r a t ec u m u l a t i v ef a t i g u e d a m a g eu n d e rt h er a n d o mo c e a nw a v el o a da n ds e ai c el o a d a tt h eb e g i n n i n go fp l a t f o r n l d e s i g na n ds e r v i c ep e r i o d ，i t i sn e c e s s a r yt od ot h ec u m u l a t i v ed a m a g ea n df a t i g u e1 i f e e v a l u a t i o nf o rt h ep r i m a r ys t r u c t u r ep i e c eo fp l a t f o r mi no r d e rt og r a t i f yt h er e q u i r e m e n to f r e l i a b i l i t y a n dm a k ei tam a j o rb a s i sf o rt h ef a t i g u e1 i r ee v a l u a t i o n t r a d i t i o n a lm e t h o do fc u m u l a t i v ed a m a g ec a l c u l a t i o ni sb a s e do i lt h em i n e rp r i n c i p a l i t c o n s i d e r st h ef a t i g u ed a m a g ea sad e t e r m i n i s t i cm a t t e r , t h a ti st os a y , i ff a t i g u es t r e s s a m p l i t u d e sa r eg r e a t e rt h a nt h el i m i to ff a t i g u e , t h es t r u c t u r ew i l lg e n e r a t ef a t i g u ed a m a g e ， o t h e r w i s ef a t i g u ed a m a g ew i l ln o te m e r g e i tn e g l e c t st h ec u m u l a t i v ed a m a g e sc a u s e db yt h e f a t i g u es t r e s sa m p l i t u d e sw h i c ha t el e s st h a nt h ef a t i g u ev a l u ee s p e c i a l l ys l i g h t l yl e s st h a nt h e f a t i g u ev a l u e s ot h ec u m u l a t i v ed a m a g ea n df a t i g u el i f ef r o mc a l c u l a t i o ni su s u a l l yd i f f e r e n t f r o mt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n t w 0f u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n sa t er a i s e db a s e do nt h et h e o r i e s o ff u z z ym a t h e m a t i c sa n dt h el o wt e m p e r a t u r ef u z z ys nc u r v ew h i c hh a sb e e ni m p r o v e db y c o n s i d e r i n gt h ef u z z yf a t i g u ed a m a g ei sg i v e n t h r o u g hs t u d y i n go ft w ot y p e so ff u z z ys - n c u r v e ，t h es p h e r eo fa p p l i c a t i o na n d t h em e t h o do fp r e f e r e n c e sa r eg i v e n t h ef a t i g u ed a m a g ew h i c hi sl e s st h a nt h ef a t i g u ev a l u ei sc o n s i d e r e di nt h i st h e s i s ，a n dt h e c o m p m e dr e s u l t sb a s e do nt h ei m p r o v e dm i n e rp r i n c i p a la l ec l o s e dt ot h ep r a c t i c es i t u a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ef a t i g u el i f eo fj z 2 0 - 2 n wp l a t f o r mi se v a l u a t e db a s e do nt h ef u z z yf a t i g u e 1 i f ee s t i m a t i o nm e t h o d t h ec o m p u t e dr e s u l ti l l u s t r a t et h a tt h ef u z z yf a t i g u ea n a l y s i sf o r p r i m a r ys t r u c t u r ep i e c em a k e st h ec u m u l a t i v ed a m a g ec a l c u l a t i o na n dt h ee s t i m a t i o no f f a t i g u el i f em o t ea c c u r a t e , a n dm o r es a f ea n dr e a s o n a b l et h a nt r a d i t i o nm e t h o d t h e r e f o r et h i s m e t h o dc o u l db ee x t r a p o l a t e dt ot h ed o m a i no fm a r i n es t e e ls t r u c t u r e st od e s i g nt h ep r i m a r y s t r u c t u r ep i e c ew h i c hr e q u e s t sh i g hr e l i a b i l i t ya n de v a l u a ，t et h ef a t i g u el i f eo ft h ep r i m a r y s t r u c t u r ep i e c eo fo c e a np l a t f o r ms e r v i n gi nt h es e ai c ez o n e k e yw o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；s e ai c e ；f u z z y , c u m u l a t i v ed a m a g e ；f a t i g u el i f e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盘查堡墨至壑鳖垒丝塑壅童鱼堑塑造 作者签名：拯固嗡 一一一一 日期： 丝星年j 生月三三日 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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：盘查焦迅工盘叠至垒趄塑：壅董鱼生堑昼枣 作者签名：丛日函日期：缨墨年j l 月二旦日 导师签名：盔二 大连理工大学硕士学位论文 引言 目前，我国最大的海上油田位于渤海海域。相关资料显示，2 0 0 4 年渤海海域油当 量产量首次突破1 0 0 0 万立方米，这标志着渤海油田已经成为我国北方重要的能源生产 基地。按照中海油的发展战略，渤海海域将在2 0 1 0 年实现2 5 0 0 万到3 0 0 0 万立方米由 其当量的生产规模。估计到2 0 1 0 年整个渤海海域将有3 0 多个生产油气田，约有海洋平 台8 0 余座。但是，我国渤海海域的海洋环境比较特殊，每年都会出现不同程度的冰情， 其中以辽东湾最为严重。当冰情出现时，海冰载荷将成为平台的主要控制载荷。由于对 海冰载荷的认识不足，致使海洋平台结构设计不合理，曾多次发生由海冰引起的海洋平 台被海冰破坏的事故。1 9 6 4 年，美国阿拉斯加库克湾的两座新建的钻井平台被海冰推 倒；1 9 6 9 年，我国自行建造的渤海老2 号采油平台全部被海冰推倒，对新中国的政治 经济造成了很大影响；1 9 7 7 年春季，渤海“海四井”的烽火台也被海冰推倒。 平台的安全运行，对于海洋石油开采是极其关键的。由于海洋平台体积庞大，造价 昂贵，一旦发生事故将产生巨大的经济损失，甚至危害到人员的生命安全。因此，许多 国家开始重视对冰区海洋平台的研究工作。加拿大、美国、芬兰等国家分别在冰的物理 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 学者对结构冰激振动的研究开始于1 9 6 4 年渤海发生的海洋平台被海冰推倒的事故之 后。近2 0 年来，渤海石油公司、辽河油田和胜利油田，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街头常规 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 设计方法、随机海冰载荷作用下平台疲劳断裂可靠性的研究等。所有这些研究工作以及 各种海冰工程技术的应用，使我国在这一领域走到了世界的前列。 对于海洋平台来说，合理设计平台，延长使用寿命，无疑会带来巨大的经济和社 会效益。为了提高平台在冰区服役的安全可靠性，必须准确合理的对海洋平台进行疲劳 分析，估算平台的累积损伤和疲劳寿命。在结构强度方面，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，疲劳失效以及脆性破坏。疲劳失效以及由疲劳裂纹引起的其他形 式的失效在平台失效模式中占有相当大的比例。因此，预防和控制海洋平台重要构件的 疲劳失效对于海洋石油的安全生产具有极其重要的意义。 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 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。主要表现在：在海洋平台构件疲 劳断裂实验研究基础上，深入展开了对各种类型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 与分析等方面的基础研究，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。其研究重点放在通过s - n 曲线疲劳损伤评价方法建立疲劳可靠性模型，并以断 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。 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 助开展对进口材料管节点和国产材料管节点的疲劳性能研究。国内多家单位进行了应用 断裂力学技术对海洋平台疲劳寿命进行评估的研究。然而，大量的试验发现s - n 曲线在 1 0 6 周并没有明显变化，直到1 0 1 0 周依然保持下降趋势，试件依然折断，曲线并没有变 成水平渐近线。这些试验结果与传统的假说完全不同，说明传统假说的计算结果偏于危 险，需要对低于疲劳极限的应力幅所产生的疲劳损伤进行深入研究。 但是，对于海洋平台结构来说，仅做以上的研究工作是远远不够的，对其进行模糊 性的分析并采用模糊数学描述具有特殊的重要性。这是由于：海洋平台结构可靠性要求 高，结构庞大复杂，要对其做出精确的分析十分困难，不得不采用模糊数学来描述；海 洋平台结构所处环境非常复杂，例如对于复杂海浪，尽管在运用随机性描述海浪过程方 面已取得很大进展，但在某些方面仍存在问题，有待采用模糊性的描述来解决：在海洋 钢结构材料性能的研究过程中需要进行模糊性的分析，例如虽然从宏观的断裂力学到微 观的损伤力学等方面都已经取得了许多成果，但这些成果都是在一定的近似条件和简化 条件下得到的，而这些条件的简化和近似必然会给计算结果带来模糊性。 传统的疲劳分析方法都是根据m i r l 6 t 准则，将疲劳损伤的产生看成一个确定性的事 件，即疲劳应力幅大于疲劳极限则产生疲劳损伤，否则不产生疲劳损伤，忽略了小于疲 劳极限特别是略小于疲劳极限的应力幅所产生的模糊疲劳损伤，使计算得到的累积损伤 和疲劳寿命常常与实际情况有较大差距。因此需要考虑模糊性，进行模糊疲劳分析，使 累积损伤的计算和疲劳寿命的预估更加准确合理。 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1研究背景和意义 随着我国经济持续高速的发展，对能源的需求将急剧增加。陆上石油的开采已经 远远不能满足社会经济发展的需求，在不久的将来国内石油产量将更多的依赖于海上开 采，因此我国“海洋石油大开发的时代已经来临 n 一1 。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 1 ，4 4 0 k i n 2 ，管辖海域近3 0 ，6 0 0k m 2 。渤海、黄海、 东海和南海都有大面积的沉积盆地，石油资源储量达到2 7 4 3 亿吨，天然气储量大1 0 6 亿立方米。但是目前的原油发现率仅为1 8 5 ，天然气的发现率为9 2 1 。因此我国近 海海域极具开发潜力和价值，浩瀚的海洋将是我国建设和谐社会，实现社会可持续发展 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，世界上已经建造有近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) 、半潜式( 包括钻井船等浮动采油系统) 和张力腿式。 我国海洋平台结构的主要型式为固定式导管架结构，还有单点系泊式和人工岛等。 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已达到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h 1 。 目前抗冰结构主要可以分为两类：一种是类似人工岛之类的宽大结构；另一种似导 管架之类的窄结构。在这两种抗冰结构中，导管架结构比较经济，其应用也比泛。目前 世界上主要有美国阿拉斯加的库克湾和我国的渤海采用比较经济的导管架抗冰。渤海的 环境条件与库克湾相比相差不大。在设计水深方面，渤海抗冰结构的水深在1 0 , - , 2 5 m 左 右，库克湾的设计水深在2 0 - 3 0 m 左右，比渤海的略深一些。在海冰面，渤海的冰情要 轻于库克湾，渤海的设计平整冰厚为4 5 c m ，只相当于库克湾的一半，但渤海冰速较快， 实测最大冰速达l m s 。但在油藏分布上，渤海油田与库克湾相比属于边际油田，油藏分 布小而散，因此开发渤海的冰区边际油田，必须控制成本，否则就难以保证可以接受的 开发利润。这就直接导致渤海抗冰导管架结构的用钢量只相当于库克湾的1 5 l d 。渤 海抗冰导管架的用钢量大多在2 0 0 - - , 5 0 0 t ，而库克湾的用钢量1 5 0 0 2 0 0 0 t 。这种用钢量的 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 差别反映到结构上，表现为渤海导管架结构刚度小，比较柔，其一阶的自振频率大多在 1 h z 左右，只相当于库克湾的1 2 。而渤海海冰碎频率也在1 h z 左右，从而不可避免的 引发了冰激共振。因此，与库克湾的抗冰导管架平台相比，尽管渤海的冰情要轻一些， 但渤海抗冰导管架结构的冰激振动问题更加严重。抗冰海洋平台动力分析与结构选型研 究从多年抗冰平台的实际运行情况来看，强烈的冰激振动己经成为影响渤海抗冰导管架 构安全的最主要因素c s ，。 在冰与结构相互作用过程中，由于冰破碎的随机性，会产生交变性荷载。很显然， 对于承受交变荷载作用的结构首先要考虑其动态效应，也就是分析结构在交变荷载作用 下的疲劳寿命。我们知道，海洋平台在波浪环境下疲劳寿命估计研究己经比较成熟，在 设计规范中对需要进行详细疲劳寿命计算的条件也给出了明确的要求。通常对于水深超 过1 0 0 米或自振周期大于3 秒的结构都需要进行详细的疲劳寿命分析，并且对波浪荷载 作用下疲劳寿命估算方法做出了比较详细的交待喳3 。然而，相比之下对于冰区结构的疲 劳寿命分析则开展的比较少。美国石油协会的寒区海洋石油平台设计建议标准( a p i r p 2 n ) 肺1 指出，必要时需对冰荷载引起的疲劳损伤进行评估，但并没有指出需要进行冰 激疲劳分析的具体条件与方法。其原因是尚不具备详细疲劳分析的条件，动冰力模型与 冰疲劳环境参数的研究尚不成熟。尽管目前开展了一些有关抗冰平台冰激疲劳的研究， 但是其成果距离实际工程应用还是有一定的距离。对于疲劳问题，主要涉及到两方面的 问题：一是结构在交变荷载作用下的热点应力的大小；二是在结构服役期内应力的循环 次数以及疲劳寿命的确定。那么对于冰荷载作用下结构的疲劳分析主要存在三个方面的 关键问题：一是冰荷载的确定，很明显，荷载的大小会直接影响到疲劳分析的结果；二 是冰疲劳环境模型的建立，冰疲劳环境模型就是各个冰疲劳参数的长期概率分布。由于 影响冰情的因素众多、复杂多变，因此目前还难以像波浪等环境条件一样，利用短期的 观测数据就可以推算出长期的冰期参数概率分布，因而长期的冰情现场监测数据在确定 冰疲劳参数的长期分布时必不可少，这正是冰疲劳环境模型建立的关键所在。最后一个 关键问题就是在冰荷载作用下，结构热点应力的计算和疲劳寿命的确定。海洋平台结构 复杂，如何快速准确的计算出给定冰荷载作用下的热点应力并准确合理的估算疲劳寿命 对于疲劳分析是至关重要的。 通过大量系统的研究，人们对抗冰海洋平台冰激疲劳分析的认识有了很大进步，促 进了冰区抗冰海洋平台动力安全分析与评估的发展，而且通过这些研究所建立的分析方 法和思路对于后续的分析研究是具有重要的借鉴和参考价值。但是由于疲劳问题，尤其 冰荷载和冰情的复杂性，冰激疲劳还有许多问题有待解决。首先是抗冰海洋平台冰激疲 大连理工大学硕士学位论文 劳分析的必要性和条件。目前对于抗冰海洋平台是否需要进行冰激疲劳分析还没有定 论，这就有必要阐明抗冰海洋平台是否需要进行复杂的冰激疲劳分析，如果有必要的话， 那什么类型的抗冰海洋平台在什么样的环境下有必要进行冰激疲劳分析，即冰激疲劳分 析的条件问题。另外对于冰激疲劳分析有三个关键问题还没有得到很好的解决，需要进 一步的完善和改进。一是动冰力荷载的计算，目前能应用于疲劳分析的动冰力模型和计 算方法是比较少的，也很不成熟。如果在最开始的外部激励都还不清楚，后面的疲劳分 析也就无从谈起。二是冰疲劳环境模型的建立，由于冰情的复杂多变性，目前还不能没 有成熟的理论能利用短期的观测资料来推算长期的冰期参数分布概率，因此确定冰疲劳 环境参数的长期分布只能依靠长期的冰情监测资料，这是很困难的，不但需要时间，而 且成本很高。三是如何建立合理准确的疲劳寿命评估模型。1 9 4 5 年m i n e r 毛e 对疲劳累计 损伤问题进行大量试验研究的基础上，将线性累计损伤理论理论化，形成了m i n e r 线性 累计损伤法则，沿用至今。尽管，国内外学者己先后提出名义应力法、局部应力法、能 量法、损伤容限设计法等许多疲劳寿命估算方法，并广泛应用于工程实践中。然而，大 量的试验发现s - n i 曲线在1 0 6 周并没有明显变化，直n 1 0 1 0 周依然保持下降趋势，试件依 然折断，曲线并没有变成水平渐近线。这些试验结果与传统的假说完全不同，说明传统 假说的计算结果偏于危险，需要对低于疲劳极限的应力幅所产生的疲劳损伤进行深入研 究。传统方法都是将疲劳损伤看成是确定性的事件，即认为疲劳应力幅大于疲劳极限则 产生疲劳损伤，否则不产生疲劳损伤，忽略了小于疲劳极限特别是略小于疲劳极限的应 力幅所产生的模糊疲劳损伤。 总的来看，由于疲劳损伤问题和冰荷载的复杂性，对于海冰载荷作用下的疲劳寿命 分析还很不成熟，难以用到抗冰海洋平台的设计校核中，这也是造成我国抗冰海洋平台 冰激振动问题突出的一个重要因素。因此加强冰激疲劳研究对于推进抗冰海洋平台的设 计和安全评估水平和冰区海洋平台的抗冰性能是十分必要、迫切的哺1 。 1 2 本文研究内容 本文将针对以上问题，由渤海冰区海洋平台冰激振动引起的疲劳，采用模糊分析的 方法，对海洋平台的累积损伤及疲劳寿命进行深入探讨。其内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 根据渤海冰区和现有的抗冰平台设计资料，提出进行冰激振动分析所需基础 数据的要求和分析方法及步骤，并对随机动冰力模型进行数值模拟； ( 2 ) 对于冰区海洋平台的钢材料，进行低温疲劳性能研究，介绍了由常温s - n 曲线 转换成低温s - n 曲线的方法和步骤； 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 ( 3 ) 基于模糊数学的相关理论，建立疲劳应力幅的隶属函数，提出得到海洋钢材 料低温模糊s - n 曲线的方法和步骤以及各种模糊s - n 曲线的适用范围； ( 4 ) 针对抗冰平台的冰激振动弓| 起的冰激疲劳，基予安全寿命分析方法，对抗冰 导管架平台冰激疲劳寿命分析方法进行深入的研究和探讨； ( 5 ) 通过模糊s - n 益线以及对传统疲劳寿命分析方法的修正，褥到包含模糊性的更 为合理准确的疲劳寿命评估方法； ( 6 ) 基于上述理论方法，对j z 2 0 - 2 n w 平台的管节点进行模糊疲劳寿命评估。 大连理工大学硕士学位论文 2 渤海海域海洋平台冰荷载计算 我国在开发渤海冰区油田时，限于成本和经济效益的因素，选用了比美国库克湾更 加经济的导管架结构。实际运行经验表明，尽管渤海的冰情相对较轻，但冰激振动问题 却更为突出。强烈的冰激振动导致了多起安全事故，己经成为影响采油平台冬季正常生 产和安全的重要因素啼1 。因此，为了保证冬季采油平台的安全性，对抗冰结构的冰激振 动进行评估是十分必要的。 对抗冰结构的冰激振动进行分析与评估是一项复杂的系统性工作，涉及到冰情、冰 荷载、抗冰平台的结构动力特性等诸多方面。由于海冰的复杂性，目前冰情和冰荷载的 研究主要还依赖于现场原型监测获得的数据。对于冰情的研究，由于冰情的变化受到气 温、相对湿度、风速、气压、太阳辐射、热辐射、水温以及盐度等众多复杂因素的影响， 尽管在海冰数值模拟方面已经开展了一些研究工作n 1 ，但目前获得冰情的数据更主要是 依靠现场冰情监测。对于冰荷载的研究，受破坏力学研究进展的限制，无论是数值模拟 还是物理模拟这一过程都比较困难。本文通过对历史统计资料的分析，首先对由冰破碎 产生的动冰力时程进行分类，然后介绍自激动冰力的数学模型，并给出统一的动冰力模 型；其次针对不同的海冰破坏形式，利用实测动冰力的时程分析确定动冰力模型参数。 最后针对海冰不同的破坏形式，通过m a t l a b 对动冰力模型进行了数值模拟。 2 1 冰厚分布函数 我国海冰观测的历史短，并且由于海冰观测技术上的困难，海冰观测资料特别是冰 厚资料很少。虽然我国国家海洋局及海军每年冬季都对渤海海域海冰进行航测，渤海石 油公司也对采油平台附近进行了测量，但这些资料尚不足以构成系统完整的历史记录资 料h 】。因此，平台的冰激疲劳计算中，选取合适的疲劳冰厚概率分布曲线，是关键问题 也是难点问题。 2 1 1 现场原型监测的主要内容 从1 9 9 9 年至今，我们在渤海辽东湾j z 2 0 - 2 海域和j z 9 3 海域多座抗冰平台上开展 现场原型监测试验。监测的抗冰平台包括j z 2 0 2 海域的四座导管架式平台和j z 9 3 海域 的两座导管架式平台和沉箱人工岛，即j z 2 0 2 m u q 平台、j z 2 0 2 m n w 平台、j z 2 0 2 m s w 平台、j z 2 0 2 n w 平台、j z 9 3 g c p 平台以及j z 9 3 m d p 平台，其中前四个平台安装了破 冰锥体，属于锥体结构，其它平台属于直立结构。现场原型监测的主要内容包括海冰参 数监测、直接测量冰力以及结构振动响应监测等。通过多年的改进和完菩，近年建立 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 的抗冰平台原型监测系统具有先进性、数字化、连续性、同步行、实时性和完备性等特 点。 ( 1 ) 海冰参数的测量1 海冰参数测量主要包括冰厚、冰速、冰情和海冰流向等。这些海冰参数的长期连续 监测对冰荷载的研究以及冰疲劳环境模型的建立具有重要意义。 与冰荷载有关的海冰参数，主要是冰强度、冰厚与冰速。对于冰荷载的研究来讲， 仅仅知道荷载水平是没有意义的，必须对其同步的海冰参数进行测量，以研究海冰参数 对冰荷载的影响，从而建基于这些参数的冰荷载分析方法。另一方面，抗冰平台动力分 析的一项重要内容就是冰激疲劳寿命的分析。对于疲劳问题，冰环境参数长期分布规律 是必不可少的，而目前海冰数值模拟的方法还不成熟，不能像波浪疲劳环境参数那样根 据短期的观测资料可以推算出环境参数的长期分布概率。因此，冰疲劳环境模型的建立 更多的依赖于现场冰情监测获得数据。 ( 2 ) 直接测量冰力嘲 目前冰荷载的研究方法主要有理论分析、物理模型试验以及现场直接测量冰力等方 法。由于理论模型存在理论假设，实验室实验条件难以准确模拟自然界中真实的海冰， 且实验模型与真实结构存在相似比等问题，使理论分析和实验室分析的结果都具有一定 的局限性，难以直接在实际工程中应用。现场原型结构实验不存在海冰材料的物理相似 与结构模型的动力相似性问题，可以获得真实的观测数据，具有较好说服力。因此，国 际上各国的海洋结构冰荷载确定方法主要是依据现场试验得到的结果。 但由于冬季海洋工况的复杂与恶劣，原型测量具有很大的难度。国际上成功开展的 测量工作并不多见。我们自行设计了适合渤海冰情的用于冰力直接测量的冰压力盒n 引， 在2 0 0 0 2 0 0 3 年在j z 2 0 2 m u q 平台进行了锥体结构的冰力测量，在j z 9 。3 m d p 平台进 行了直立结构的冰力测量，成功获得了大量的冰力时程曲线。这些实测宝贵数据使得对 冰荷载的研究成为可能。 ( 3 ) 冰激振动响应监测哺1 冰激振动响应的监测主要包括动位移、加速度和交变应变的监测。通过测量结构的 振动响应，可以验证作用在结构上冰荷载的大小和形式。同时实测冰激振动响应，对研 究抗冰导管架平台的动力特性、冰激振动机理以及冰与结构相互作用等也具有重要意 义。 2 1 2 冰厚分布函数的确定 ( 1 ) 石油大学方华灿教授等提出的冰厚分布哺1 大连理工大学硕士学位论文 石油大学根据渤海提供的观测资料，通过对实测数据进行统计分析， 极值型概率分布的结果，其概率函数尸( 忍) 与冰厚h 关系，由下式决定： 尸( 办) = e x p 一e x p ( - a ( h 一妨) 】 式( 2 1 ) 中，在渤海海冰环境下，推荐a = o 1 2 1 ，k - - 2 2 。 其概率密度曲线，见图2 2 中曲线1 。 得到了冰厚为 ( 2 1 ) ( 2 ) 欧进萍、段忠东及王俊勤等提出的年最大冰厚概率分布h ，钔 中海石油研究中心( 原中国海洋石油生产研究中心) 和国家海洋环境预报中心于 1 9 9 8 年对渤海及黄海北部冬季海冰进行了系统的数值后报。数值后报采用了国家海洋环 境预报中心开发的“海冰动力热力模式”，该模式在对渤海连续8 个冬季的业务运行 中经受了检验，取得了满意的预报结果。该文的统计采用渤海及黄海北部1 9 6 8 1 9 9 8 年共3 0 年的后报冰厚资料，冰厚记录为每日一次，单位为“c n l 。考虑到海冰厚度在 渤海海域分布的不均匀，将渤海及黄海北部划分为2 1 个区域，区域划分如图2 1 所示。 j z 2 0 2 位于第四区。 图2 1 渤海及黄海北部海域冰分区 f i g 2 1i c er e g i o i ld i s t r i b u t i o no fb o h a ia n dn o r t hh u a n g h a i 任意时点最大冰厚概率分布fo ) 可选用2 种分布形式：极值i 型分布和威布尔分布。 经统计检验，在显著性水平为o 0 5 时，f ) 不拒绝极值i 型分布和威布尔分布。由于 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 极值i 型分布在数学处理上比较方便，因此任意时点最大冰厚概率分布采用极值i 型。 其概率分布函数为： 月= e x p 一e x p - a ( x 坷) )( 2 2 ) 对于第4 冰区，么和b 的统计估计值分别为o 2 1 和1 2 5 0 。相应的年最大冰厚概率 密度曲线，如图2 2 中的曲线2 所示。 以5 c m 为冰厚区间长度，分别计算以上两种疲劳冰厚概率，计算结果表2 1 所示， 其冰厚分布概率密度曲线如图2 2 所示。 表2 1 极值冰厚概率分布的区间概率值 t a b 2 1i n t e r v a lp r o b a b i l i t yv a l u eo fe x t r e m ei c et h i c k n e s sp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n 所得冰厚分布概率密度曲线如图2 2 所示，其中曲线l 为方华灿教授等提出的极值 冰厚概率分布曲线，曲线2 为段忠东等提出的极值冰厚概率分布曲线。 世4 0 o 麟 孽3 0 0 0 错 鬟2 0 o 瞄 酸 釜 弱1 0 o 懈 肇0 0 0 曲线1 - 啦线2 o1 0z 03 04 05 0 冰厚( c m ) 图2 2 极值冰厚分布概率密度曲线 f i g 2 2 e x l r e m ei c et h i c k n e s sp r o b a b i l i t yd e n s i t yc u r v e 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 季顺迎、岳前进等提出的疲劳海冰参数统计分析结果n 为研究渤海海冰的生消运移规律，在辽东湾j z 2 0 2 n w 平台上建立了海冰定点观测 系统。它通过气象站、海流计和雷达检测系统等对气象、水文和海冰要素进行连续同步 测量。从1 9 8 9 年冬季以来，该海冰观测系统为渤海海冰数值模式中计算参数的确定以 及冰激结构振动问题的研究提供了详实可靠的海冰基础资料。采用1 9 9 6 - 2 0 0 0 年4 个冬 季的海冰观测数据作为辽东湾j z 2 0 2 海域疲劳海冰参数统计分析的基础资料。但是这 些统计资料仍不能很好地满足该对海域进行疲劳海冰参数概率分析的需要。因此，需要 根据海冰的热力动力模式，对冰厚、冰速及海冰流向等海冰参数进行数值模拟，并将 其计算结果作为实测资料的补充。 基于辽东湾j z 2 0 2 海域1 9 9 6 2 0 0 0 年4 个冬季海冰定点观测资料，并利用海冰的热 力和动力模式对该海域平整海冰的厚度、速度、海冰流向和压缩强度等海冰参数进行数 值模拟和推算。计算得到该海域1 9 9 6 - - - 2 0 0 0 年间4 个冬季的有效冰期依次为4 4 、3 9 、 1 9 和4 7 天。海冰数值模拟的时间步长为1 0 分钟，计算时每1 小时存储一组数据，共有 数据样本3 5 7 6 组。利用该数据样本，对各海冰参数进行统计分析。平整冰厚的统计结 果表明，它较好地服从对数正态分布，并通过了显著水平o 0 5 的k - s 检验。分布参数 z = 1 9 0 5 7 ，o = 0 5 7 3 2 ，其概率密度为： f ( h ) = 志e x p 卜兰( 等) 2 】 ( 2 3 ) 相应概率密度曲线，如图2 3 中曲线1 所示。 ( 4 ) 段忠东、欧进萍等所提出的疲劳冰厚概率分布h 1 海冰疲劳载荷谱由疲劳冰厚的概率分布、冰力功率谱和有冰海况的年持续时间构成。 该文利用渤海冰厚后报资料建立疲劳冰厚的概率分布模型。资料为时间长度1 9 6 8 - - 1 9 9 8 年共3 0 年的后报冰厚，冰厚为每天记录一次，单位为“锄 。疲劳冰厚的概率分布采 用w e i b u l l 分布，经假设检验w e i b u l l 分布通过了显著性水平为0 0 5 的假设检验。其分 布函数由下式决定： 月= 1 e x p 一( 一c ) b ) 7 ( 2 4 ) 对于j z 2 0 2 海区，c 、b 、，的统计估计值分别为1 9 7 、6 7 1 、1 2 0 。相应的疲劳冰厚 概率密度曲线，见图2 3 中曲线2 。 以5 e m 为冰厚区间长度，分别计算以上两种极值冰厚概率，计算结果如表2 2 所示： 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 表2 2 疲劳冰厚概率分布的区间概率值 t a b 2 2 i n t e r v a lp r o b a b i l i t yv a l u eo ff a t i g u ei c et h i c k n e s sp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n 所得冰厚分布概率密度曲线如图2 3 所示，其中曲线1 为季顺迎、岳前进教授等提 出的极值冰厚概率分布曲线，曲线2 为欧进萍等提出的极值冰厚概率分布曲线。 5 0 0 0 4 5 0 0 魁4 0 0 0 9 6 稍3 5 0 0 篓3 0 o o 蚕2 5 ，0 0 9 6 苗2 0 。0 0 椒1 5 0 0 氆1 0 0 0 s 0 0 0 0 0 一曲线l 一曲线2 01 0z o3 04 05 0 冰厚( e m ) 图2 3 疲劳冰厚分布概率密度曲线 f i g 2 3f a t i g u ei c et h i c k n e s sp r o b a b i l i t yd e n s i t yc u r v e ( 5 ) 李志军、张涛等提出的平整冰冰厚年极大值分布n 妇 通过对1 9 6 9 年至1 9 9 3 年海上冰厚资料及1 9 6 3 年至1 9 9 3 年近岸调查和观测的各相 关资料，进行分析、归纳和统计，给出了渤海不同重现期的单层平整冰厚度。为了确定 渤海海冰设计参数，将渤海划分成9 个区，如图2 4 所示。 大连理工大学硕士学位论文 将破冰船调查、海洋站观测、沿岸专项调查及现场其它海冰工作报告中记载的海冰 厚度按区域和时间进行统计分析，确定冰厚年极大值。结果显示，海上很少出现厚3 0 c m 以上的平整冰。考虑近些年遭遇的重冰情年很少，把厚度小于4 0 c m 的冰均作为海上平 整冰，重叠冰所对应平整冰的厚度是实测值的一半。把得到的历年极大冰厚视作独立的， 然后点绘在p 型概率纸上，通过拟合求得各区海上不同重现期的最大平整冰厚度。各 区的拟合曲线如图2 5 所示。该文献未提供相应概率曲线的数学表达式。 1 0 毒3 0 馨 * i 訾2 0 啦 l n 图2 4 渤海海冰烈度分区 f i g 2 4b o h s is e ai c es d s m i ci n t e n s i t ys u b s e c t i o n 儿卓 图2 52 、3 、5 、7 和9 区p - m 型曲线 f i g 2 5 t h ep - 皿c u r v eo f 2 、3 、5 、7a n d9s u b s e c t i o n 海冰作用下海洋平台模糊疲劳的基础研究 如果假设在结构的疲劳计算中，冰厚值采用该年份的最大冰厚，则可应用冰厚的极 值分布，其计算结果偏于保守。但根据长期统计结果，选用疲劳冰厚来进行计算疲劳寿 命更为合理。考察曲线的物理意义，对比资料来源的充分性，本文计算采用欧进萍等人 提出的疲劳冰厚概率分布。 2 2 动冰力作用的统一模型 海冰对海洋平台结构的作用呈现动力特性的来源主要有两个，一是冰的破碎，二是 冰力作用的“负阻尼 特性。冰周期性或随机的破碎是平台结构观察到的振动的主要原 因。冰的破碎既与冰自身的特性有关，也与冰和结构的相互作用有关。 大量的研究结果表明，相同的冰( 冰况条件相同) 作用在桩腿上，如果破碎方式不同， 桩腿所承受的冰力也不同，而且在相同冰力作用下结构的动力响应也和冰的破碎方式密 切相关n 船。经过计算发现，冰的破碎频率和结构的基频对结构冰激振动响应起决定作用， 而疲劳损伤完全取决于冰激振动下结构的应力响应n 引。所以，应该综合考虑冰与结构的 动力相互作用、冰的破碎方式、不同破碎方式下结构的动力响应以及不同冰破碎方式的 损伤。 冰对海洋平台结构作用，冰一般呈现挤压破坏、屈曲破坏和弯曲破坏三种破坏形式。 相应地，冰力时程也分为挤压冰力时程、屈曲冰力时程和弯曲冰力时程三种形式阳1 。 ( 1 ) 挤压冰力时程 挤压破坏是冰对直立接触面作用最常见的破坏形式。冰力的波动是由于在冰排移动 过程中冰与结构接触前端形成“损伤”区和裂纹，海冰产生冰屑脱落而形成的。海冰发 生挤压破坏时冰的破坏形式如图2 6 所示，相应的冰压力时程如图2 7 所示。 图2 6 冰挤压破坏形式 f i g 2 6 s e ai c ee x t r u s i o nc o l l a p s em o d e 大连理工大学硕士学位论文 多 寸 g = 兰 图2 7 冰挤压破坏冰力时程 f i g 2 7 f o r c e t i m ec u r v eo fs e ai c ee x t r u s i o nc o l l a p s e ( 2 ) 屈曲动冰力时程 当冰厚落入某一范围时( 如冰厚与结构接触面宽度之比接近1 ：1 0 0 左右) ，海冰会 发生压曲失稳。冰排沿接触面周围出现环向或径向放射状裂纹，冰排周期性的屈曲产生 冰压力波动。冰屈曲破坏时冰的破坏形式如图2 8 所示，相应的冰压力时程如图2