张力腿平台拉索的疲劳损伤.pdf

S H ENGI NEER I NG、b1 2 8 No 3 2 0 0 6 船舶工 程 总第 2 8 卷，2 0 0 6年第 3期 张力腿平台拉索的疲劳损伤 曾晓辉，沈晓鹏，吴应湘(中国科学院力学研究所 工程科学研究部，北京1 0 0 0 8 0)摘要：目前在分析张力腿平台(T L P)疲劳损伤时，通常限定平台只发生小位移，未考虑不利工况 下平台发生有限位移的情况 在分析模型中考虑有限大位移后，会引入多种非线性因素，也会使 T L P的 动力响应明显不同于小位移情况，因此研究 T L P有限位移下非线性波浪载荷引起的疲劳损伤十分重要 首先求得随机海浪作用下T L P拉索应力的时间历程曲线，并采用雨流法对其进行计数得到疲劳载荷谱；然后依据 Mi n e r 累积损伤模型，求得 T L P拉索在不利工况下的疲劳损伤；最后对 I S S C T L P平台拉索在 某海况下进行了疲劳损伤短期计算，并说明T L P拉索疲劳可靠度的计算方法 关键词：海洋工程；张力腿平台；疲劳损伤；短期分析；有限位移；非线性动力响应；波浪载荷 中图分类号：P 7 4 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 6 9 8 2(2 0 0 6)0 3 0 0 1 8-0 4 Fa t i g u e d a ma g e o f t h e t e t h e r o f t e n s i o n l e g p l a t f o r m ZENGXi a o h u i，S HE N Xi a o-p e n g，WU Ymg x i a n g (D i v i s i o n o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e s，I n s ti t u t e o f Me c h a n i c s，C A S，a e ij i n g 1 0 0 0 8 0，C h i n a)A b s t r a c t：Mo s t o f t h e e x is t i n gm e t h o d s f o r a n a ly z i n g f a t i g u e d a m a g e o f t h e t e t h e r o f t e n s i o n le g p t a O Co r m(r L P)r e s t r i c t t h e d is p l a c e m e n ts o f T L P t o s m a l l m a g n i t u d e,l e a v i n g o u t o fth e c a s e o f a c c o u n t the c ase o f fi n i t e d is p l a c e m e n ts i n a d v e r s e o p e r a ti o n s t a t e If fi n i t e d is p l a c e m e n ts a r e c o n s i d e r e d i n th e m a t h e m a ti c a l m o d e l,m a n y n o n l i n e a r f a c t o r s w i l l b e i n t r o d u c e d A n d t h e d y n a mi c r e s p o n s e s o fT L P a re l a r g e ly d iff e r e n t f r o m t h a t o fs m a l l d is p l a c e m e n ts T h e n i t is i m p o r t a n t to s t u dy th e f a ti g u e dam a g e ofth e t e t h e r i n d u c e d b y n o n l i n e a r w a v e l o a d s i n th e c o n d i ti o n t h a t T L Pm o v e s w i t h fi n i t e d is p l a c e m e n ts The s t r e s s ti m e h is t o r i e s oft h e t e t h e r i n r a n d o m w a v e s a re c a l c u l a t e d,a n dth e n th e r a i n fl o w c o u n ti n g m e th o d is e m p l o y e d to o b t a i n t h e f a ti gne load s p e c t r u m The Mi ner l i n e a r cum u l a t i v e l a wm o d e l is u s ed tog e t t h e f a ti g u e d a m a g e o f t h e t e t h e r ofT L Pi n a d v e r s e o p e r a ti o n s t a t e The s h o r t-t e r m a n a ly s is o f f a ti g u e dam a g e o f l S S C T L P i n c e rt a i n s e a s t a t e i s p e rme d T h e c a l cul a t e m e t h o d f o r t h e p r e d i c ti o n o f r e l i a b i l i t y o f t h e w t h e r iss h o w n Ke y w o r d s：o c e a n e n g i n e e r i n g；t e n s i o n le g p l a O Co l m f r L P)：f a t i g u e d a m a g e；s h o rt-t e rm a n a l y s is,fi n i t e d is pl ac e me n ts；n o n l i n e a rd y n a mi c r e s po nse；wav el o a d s 0 引言 张力腿平台()是一种典型的深海平台，主 要由顶部模块、小水线面浮体、系泊系统、基础和立 管等五部分组成【1】在水平面内，它们可以有相对较大 幅度的运动；而在铅垂面内则运动较小 这种结构使其 动力特性既不同于传统的刚性固定式平台(导管架或 重力式平台)，也不同于顺应式的船舶和 F P S O，而是 介于两者之间 T L P在海浪作用下做不规则运动，其动力响应是 一个随机过程 由此在 T L P拉索中引起随机的交变应 力 在交变应力作用下，拉索中的微小缺陷可能发生疲 劳扩展 一旦产生疲劳破坏，平台安全就会受到严重威 胁，甚至会使生命财产遭受重大损失 因此，T L P拉索 的疲劳损伤是设计中必须考虑的一个关键问题 收稿日期：2 0 0 6 4)1 1 1；修回日期：2 0 0 6-0 3 3 0 项目性质：中国科学院知识创新工程(KJ C X2-S W-L 0 3)、国家高技术研究发展计划(“十五”8 6 3计划海洋资源开发技术主题 2 0 0 4 A A6 1 7 0 1 0)资助 作者简介：曾晓辉(1 9 7 2 )，男，副研究员，主要从事海洋与船舶结构物动力响应、强度、疲劳等方面的研究 一1 8 维普资讯 目前 国内外关于 T L P的研究多集 中于水动力或动力响 应方面，有关疲劳的研究很少 近些年来，T L P的疲劳 问题开始引起重视，国外学术界也已经开展了T L P疲 劳可靠性的相关研究 2 3 1 由于对该问题的研究还刚起 步，尚有许多问题没搞清，所以在实际工程中，疲劳 设计做得很保守，增加了平台成本 决定T L P疲劳可靠度的关键因素是：材料的疲劳 强度、载荷谱和疲劳寿命的可靠性评估方法 材料的疲 劳强度国内外已经有过许多研究，方法比较成熟，研 究结果也可以满足实际需要 因此 T L P疲劳可靠性研 究的重点在后两个因素上 目前国际上通常的做法是：不在平台响应的分析上多下功夫，采用较为粗略的动 力响应计算方法来求得载荷谱；而将主要注意力集中 于 S-N曲线法和断裂力学方法在T L P 疲劳可靠性评估 中的应用，以及这两种方法所得结果的比较上 这种研 究方法通常假定应力是一个高斯过程 实际上，如果把 T L P作为一个动力系统，海浪是输入(可视为一个零 均值的高斯过程)，拉索的应力过程是输出，那么只有 当这个系统是一个线性系统时，作为输出的应力才是 高斯过程 然而由于本身固有的结构特点，在某些情形 下，T L P动力响应的非线性特征十分显著【l 4 1 显然，在这些情况下限定其为线性系统很不妥当 本文主要研究在某些不利工况下由T L P整体运动 引起的拉索疲劳损伤 此时平台的位移较大，不能采用 小位移假定，需考虑有限位移下，非线性波浪载荷引 起的拉索疲劳损伤 在这些工况下不能再把 T L P作为 线性系统来考虑 采用的方法是：1)T L P在某海况随 机波作用下发生有限位移时，进行拉索应力的非线性 响应计算；2)对拉索应力的时间历程曲线进行雨流计 数，获得拉索应力范围的短期概率分布；3)采用Mi n e r 累积损伤理论，结合 S-N曲线求得 T L P拉索在该海况 下的疲劳损伤 1 随机波作用下T L P拉索应力的非线性动力响应 欲求得拉索的疲劳损伤，需要先求其载荷 所以本 小节将给出 T L P位移为有限值时拉索应力的求解方 法 在平台发生有限位移时，拉索刚度是非线性的，六个运动自由度相互耦合，波浪力必须在平台瞬时位 置处计算，还需计入瞬时湿表面等非线性因素 综合考 虑上述由有限位移引起的多种非线性，我们研究了规 则波作用下T L P的非线性动力响应，并已给出具体解,t 4,5 1 下面将文献 4，5 中的方法推广，给出随机波作用 下T L P拉索应力非线性动力响应的解法 典型张力腿平台的本体由四根立柱和四个沉箱组 成，在每根立柱的底部有拉索与海底相连，如图 1 所 示 T L P在波浪作用下会产生六个方向的运动：纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、首摇 其运动方程为：M 0 0 0 0 0 1 f f，0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I t 0 0 0 0 0 0 I，0 0 0 0 0 0 I 3 c o z c o 3 一(1 3 1 2)c o 2 一(，l 一 1 3)r g 一(，2 一，)式中，是T L P的质量；(1，2，3)是绕惯性主 轴的惯l 生 矩；是运动自由度；是作用在平台本体 上的外力(f 一1，2，3)和外力矩(1=4，5，6)；6 9 f(f=1，2，3)是角速度分量；变量上的点表示对时间求导 运动方程(1)中外力、外力矩等量的具体表达式和有关求解方法 可参考文献 4 ，该文考虑的是规则波隋况，本文研究 随机波作用下的动力响应 图 1 T L P示意图 随机海浪可用许多不同波幅、波长、相位的波浪 为：迭加而成，于是波面升高r t*n 水质点速度势 可分别写(2)一1 9 维普资讯 ：i=l 睾 s in(k x 一 面 f+)式中，7(是海浪谱，西是频率间隔 内的代 表频率：岛，岛，分别是第 i 个子波浪的波数和初相角；，z 分别是时间、水深、波浪传播方向及铅直方向 的坐标 初相角是在 0 2 x 2 _ 间均匀分布的随机变量 式(2)和(3)可以确定随机波的波浪场：式(2)给 出波面形状；式(3)给出波浪水质点速度、加速度 用式(2)和(3)给出的随机波浪场代替文献 4 q b 的 规则波浪场，即可按照同样方法进行有限位移时 T L P 的非线性动力响应分析，求出T L P拉索应力的时间历 程曲线 下面给出一个典型平台0 s s c T L P平台1 的算例 海浪谱，取为双参数 P-M 谱：P一参 式中，为有义波高；T z 为平均跨零周期 I S S C 平台参数【6 J：立柱间距8 6 2 5 m 立柱半径8 4 4 m 沉箱宽度 7 5 m 沉箱高度 1 0 5 m 立柱初始吃水 3 5 0 m 排水量 5 4 5 o x g 总质量 4 0 5 1 0 6 I 张力腿长度4 1 5 0 m 横摇惯性矩8 2 3 7 X 1 0 9 k g m 2 纵摇 惯性 矩8 2 3 7 X 1 0 m 2 首摇惯性矩 9 8 0 7 X 1 0 9 k g m2 重心距底部的高度3 8 0 m 对于主周期=l ，有义波高 4,=1 0 m的海况，I S S C T L P拉索 1 应力的时间历程曲线如图2所示 0 2 0 o 4 0 0 6 0 o 8 0 0 时间 s 图2 拉索 1 中的应力时间历程曲线 2 T L P拉索的疲劳损伤 在疲劳损伤估算中，疲劳载荷谱的编制占有重要 地位 本文采用雨流法 7】进行拉索疲劳载荷的计数 雨 流计数法符合疲劳损伤规律，是一种公认先进 的计数 方法 用雨流法对T L P拉索应力的时间历程曲线(如图 2所示的曲线)进行计数，可得到拉索应力范围分布 的直方图，也就是所求的疲劳载荷谱 图3 给出的是某 海况下拉索 l的应力范围短期分布直方图 通过对许 多不同海况 T L P的动力响应开展大量计算，并进行分 布拟合和拟合检验，可以发现：考虑有限位移引起的 多种非线性因素后，T L P拉索的应力范围不服从常见 的理论概率分布 因此，用直方图给 出应力范围的短期 分布 0 1 4 O 1 2 O 1 O 褂 0 0 8 0 o 6 0 0 4 O 0 2 O o o 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 应力范围 MP a 图3 拉索 1 在某短期海况下的载荷谱 根据 Mi l l e r 累积损伤理论，上述载荷谱作用下拉 索在时间 内的疲劳累积损伤度D为：D：E(S m)A (5)式中，m，A为拉索材料 S-N曲线的参数：S是拉 索应力的范围：7 2是该海况下应力范围作用的平均频 率：E()代表求期望值 以I S S C T L P为例，在主周期 乃=1 4 s，有义波高=1 0 m的海况下，经过 l 小时后，根据式(5)可求出拉索 l 的短期疲劳损伤为：D=2 7 l 0 计算中，S-N曲线采用美国石油学会(A P I)推荐的 A P I-X 曲线 其他各个海况下短期损伤的计算均可按 上述方法进行 许多短期海况合在一起就是长期海况 求出短期 疲劳损伤后，将各个短期损伤按照短期海况的相应份 额加权叠加，即可求出长期疲劳损伤，进而可求出T L P 拉索的疲劳可靠度 当疲劳寿命服从 We i b u U 分布时，疲劳可靠度可由下式计算【8】：r 一，1 一 1 0 8、唧 一 I(h 2。(6)I L J J J 一2 O m I I R毯 维普资讯 式中，D 为用循环次数表示的设计寿命；A为中 值 S-N曲线参数；c 为变异系数，它包括所有可能 存在的不确定性；为对应于应力范围长期分布的等 效应力范围，由下式确定：，、V m S e=l E r,U E(S )l(7)i=1 i=1 式中，为第 i 个海况作用时间占整个回复周期 的比例，各变量下标 i 表示对应于第 i 个海况的量：k 表示短期海况的个数 3 结论 在某些不利工况下，需考虑 T L P发生有限位移时 的非线性动力响应 本文给出了T L P发生有限位移时，拉索疲劳损伤的分析方法：首先，计入有限位移及其 引入的其他非线性因素，对随机波作用下的T L P进行 动力响应分析；进而，对拉索应力的时间历程曲线进 行雨流计数，获得拉索疲劳载荷谱；最后，根据Mi n e r 累积损伤理论，结合 S-N曲线求得T L P拉索在该海况 下的短期疲劳损伤 对组成长期海况的各个短期海况 分别计算并加权叠加，即可求出拉索的疲劳可靠度 参考文献：1】曾晓辉，沈晓鹏，吴应湘，刘杰鸣 深海平台分析和设 计中的关键力学问躅 J】船舶工程，2 0 0 5，2 7(5)：1 8-2 1 2】T i mo E J Mi k k o l a,I l a r i S i l v o l a,j y d-P e k k a A r j a v a,e t a 1 F a t i g u e d e s i g n o f o ff s h o r e fl o a t i n g s t r u c t u r e s A P r o c e e d i n g s o f th e 1 3 th I n t e r n a ti o n a l Offsh o re a n d P o l a r E n g i n e e r in gC o n f e r e n c e C 2 0 0 3，l：1 8 6 1 9 3 3】J a n I n g e D al a n e F a ti gue rel i a b i l i t y me a s u r e d r e s p o n s e o f the H e i d r t m 1 I t e t h e r s J Ma r in e S t r u c t u r e s，1 9 9 7，1 0 (8-1 0)：6 1 1-6 2 8 4 曾晓辉，刘洋，沈晓鹏，吴应湘 规则波作用下张力腿 平台的非线性动力响应 J】中国造船，2 0 0 5，4 6(增)：2 0 7 2 1 4 5】Z e n g X i a o h u i，S h e n Xi a o p e n g,Wu X r mg x i a n g No n l i n e a r d y n a mi c r e s e o f fl o a t i n g c i r c u l a r c y l ind e r wi th t a u t t e t h e r A P r o c e e d i n gs o f th e 1 5 t h I n t e r n a ti o n a l Offsh o re a n dP o l a r E n#n e e r i n gC o n f e r e n ce C 2 0 0 5 1：2 1 8-2 2 4 6】T a y l o r,RE，J e ff e r y s，E1 LV a d a b n i tyo f h y d r o d y n a m i c l o a d p r e d i c t i o n s f o r a t e n s i o n l e g p l a tf o r m【J】O c e a n E n g i n e -r i n g，1 9 8 6，1 3(5)：4 4 9-4 9 0 7】D o w l ing,N E F a ti gue f a i l u r e p r e d i c t i o n s f o r c o m p l i c a t e d s t l -s t r a in h i s t o r i es J】J o u r n al o f Ma t e r i a l s，1 9 7 2，7(1)：7 1 8 7 8】胡毓仁，陈伯真 船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析 M】北京：人民交通出版社，1 9 9 6 中国船舶设备论坛暨中国造船工程学会轮机学术委员会 2 0 0 6 年学术年会征文启事 为了推动我国造船事业的发展，特别是船舶设备和轮机技术的发展，中国造船工程学会轮机学术委员会(主 动力装置分会、柴油机分会、涡轮机和锅炉分会、辅机分会、船电技术分会、自动化分会和振动噪声分会)将于 2 0 0 6年 1 0月在上海召开中国船舶设备发展论坛暨中国造船工程学会轮机学术委员会 2 0 0 6年学术年会。本次年会 将设企业论坛和学术论坛两部分，为此，论坛公开征集论文。论文的内容范围：1、国内外轮机技术的最新动态和 发展趋势；2、船舶主动力推进装置技术研究和应用；3、船用柴油机、燃气轮机、蒸汽轮机及锅炉等技术研究和 应用；4、船舶电力推进及电站技术和应用；5、船舶自动控制技术和应用；6、船舶动力推进装置振动及噪音控制 技术研究；7、船舶辅机和甲板机械技术和应用；8、新材料、新工艺、新技术在船舶动力推进装置上的应用；9、其他先进技术及应用。论文要求：1、字数一般不超过 6 0 0 0字。正文前应有(1 5 0 2 0 0)字的摘要和(3 5)个关键词；正文后要有(3 6)篇参 考文献。正文用“五宋字体，每页4 5 行，每行4 6 字”。并请注明第一作者邮编、地址、电子信箱及联系电话。2、应征论文一般请发电子邮件到h u h b s j t u e d u c a，也可用其他方式寄送。3、论文征集截止日期：2 0 0 6 年 8月3 0日。4、经论文审选委员会审选通过的论文将正式出版(有正式刊号)。联系方法：地址：上海市番禺路 9 5 1 号上海造船工程学会轮机学术委员会(2 0 0 O 3 0)电话：[phone] 联系人：胡海嫔，石关松 一21 维普资讯