spar平台锚泊线的疲劳性能研究

spar平台锚泊线的疲劳性能研究

0锚泊线的破坏按摩平台是海洋油气资源开发的主要平台类型之一。系泊系统用于连接平台主体和海底的组成部分，以确保平台的定位。在海上长时间运行的时间内，系泊平台的整体结构应承受风、浪、流等环境桥浪的影响。这些环境桥和平台运动将导致系泊系统的传输性能，并损坏节点线。一般来说，倾斜波束架的类型是传统的半张式链式锚泊系统，该系统由三种浮重、刚度和长度的不同钢链和钢索组成，连接到钢链和钢索的复合锚定线。平台的定位力主要由每个系泊线的位能和平台主体的惯性力提供。本文以某座Spar平台的锚泊线为分析研究对象,所选海况为中国南海某海域.该平台系泊方式为悬链线式,锚泊线为由钢链-钢索-钢链组成的缆索结构系统.分析计算锚链与平台主体、钢索的链接点的疲劳损伤,为锚泊系统的理论研究及实践应用提供一定的参考依据.1平台及其系泊系统的选择和海况的选择1.1锚泊线形态分析平台选型及其基本参数见图1和表1.其系泊系统采用传统的悬链线式,布置型式为4×4共16根,每组中锚泊线之间角度为5°,如图2所示.锚泊线相关参数如表2所示,单根锚泊线形态示意图如图3所示.1.2短期海况条件概率本文选取的海况条件为中国南海某海域,综合考虑风、浪、流作用,其中主要考虑波浪作用,入射角为0°方向.一年一遇10m高处持续3s风速为39.8m/s,流速则设为均匀流0.143m/s.本文选取的短期海况条件概率如表3所示,其中,波浪谱为JONSWAP谱,峰值因子γ=2.0,H1/3为有义波高,Tz为平均跨零周期.1.3基于接触问题的非线性模拟锚泊线假定为完全挠性构件,其运动控制方程为时变强非线性方程,故本文采用非线性有限元法进行求解计算.采用混合梁单元模拟锚泊线,使用Newton-Raphson迭代法直接求解非线性问题.计算过程分为许多载荷增量步,并在每个载荷增量步结束时寻求近似的平衡构型,通过逐步施加给定的载荷,以增量形式趋于最终解而得到结果,所有的增量响应的和就是非线性分析的近似解.采用单纯主从接触算法,假定海床为刚性海床平面,将锚泊线和海床分别划分为从面和主面,可考虑两者之间滑动摩擦的情况.2锚泊线疲劳分析2.1锚泊线疲劳性能评估方法锚泊线的疲劳损伤决定于其应力-时间历程中各种应力幅值的大小以及其发生的频率.由Matsuiski和T.Endo创始的雨流计数法可以对应力-时间历程进行有效且合理的计数,从而达到对锚泊线进行疲劳性能评估分析的目的.雨流计数法属于循环计数法,其实质是从结构疲劳损伤机理出发,统计时间历程中引起疲劳主要因素的应力或应变幅值出现的次数,也就是把实测得到的应力-时间历程按照一定顺序排列成全循环或半循环,再省略掉对疲劳损伤没有太大影响的小幅值循环,然后按照式(1)计算出各个循环的变程,最后以变程为横坐标,循环频次为纵坐标,即可作出变程频次直方图,即为各短期海况下的疲劳荷载谱.其中,SA为各循环的变程;Pmax和Pmin为各循环的峰谷值.2.2疲劳载荷谱密度为了比较锚泊线中钢索和钢链链接点(图3中A、B、C三点)的疲劳寿命,需要得到锚泊线的疲劳荷载谱,以估算疲劳损伤.本文通过雨流计数法对应力—时间历程曲线进行计数,可得到疲劳载荷谱.本文选取代表性质的12和27两个海况条件,分别得到图3中A、B、C三点的疲劳载荷谱如图4~6图所示,其它海况条件下的计算结果限于篇幅,未在本文中列出.2.3应力循环次数的确定由Miner线性累计损伤理论,每年长期海况作用下锚泊线的疲劳损伤D可以通过n个短期海况下的疲劳损伤Di累积得到,即:各短期海况下的疲劳损伤Di为:其中,ni为短期海况下应力循环次数;Ri为i海况下标准化处理后的应力范围;E[RiM]为iRM的期望值;M和K为钢索和钢链的T-N曲线的参数,如表4所示.每种海况下每年的应力循环次数由式(4)得到:其中,vi为i海况下张力谱的跨零频率;Ti为每年i海况下经历的时间;Pi为i海况出现概率.复合锚泊线中A点的疲劳损伤计算结果表如表5所示,B、C两点的计算结果表限于篇幅,本文只给出最终结果.同样计算得到:B点疲劳损伤结果为:C点疲劳损伤结果为:3结论本文选取单根锚泊线上端钢链与上部结构、钢索与钢链的A、B、C三个链接点,计算其在长期海况下的疲劳损伤,可得到以下结论:1)通过计算锚泊线上A、B、C三个链接点的疲劳损伤,可以发现:DA>DC>DB,其中A点的疲劳损伤分别是C点的1.4倍,B点的3093倍.2)在本文所比较的三个链接点中,A点最容易发生疲劳损