嵇春艷，郭建廷，吳　帥，陸　韻（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

基于 SESAM 軟件的張力腿平臺疲勞強(qiáng)度分析

嵇春艷，郭建廷，吳帥，陸韻
（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

以張力腿平臺為研究對象，建立有限元模型，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體強(qiáng)度分析，確定疲勞關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵點(diǎn)。然后建立關(guān)鍵區(qū)域的局部模型，對局部模型的網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行研究，利用 SESAM 軟件中的 Sestra 模塊計(jì)算應(yīng)力傳遞函數(shù)。最后基于 Stofat 模塊，采用線性外推法得到疲勞關(guān)鍵點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力，根據(jù) S-N 曲線，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。結(jié)果表明，張力腿平臺的疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

張力腿平臺；疲勞強(qiáng)度；有限元

0　引　言

隨著陸地石油資源的不斷減少，人們把目光轉(zhuǎn)移到海洋。近年來，海洋石油的開發(fā)和利用越來越頻繁，而且逐漸從淺水向深水發(fā)展［1］。張力腿平臺是一種適用于深水的海洋平臺，因此對張力腿平臺進(jìn)行探索和研究成為熱點(diǎn)［2］。

張力腿平臺與其他平臺相比，具有諸多優(yōu)勢［3］。首先，受張力筋腱的影響，當(dāng)平臺處于平衡位置時(shí)，垂蕩非常小，在風(fēng)浪等載荷的作用下，移動相對較小，平臺安全穩(wěn)定；其次，張力腿平臺在采油時(shí)，不需要輔助鉆井船，降低了生產(chǎn)成本；而且張力腿平臺既適用于幾百米的淺水，也適用于上千米的深水甚至是超深水，既適用于小型油田，又適用于大規(guī)模的區(qū)塊油田。但張力腿平臺在運(yùn)營過程中會因?yàn)榉N種原因毀壞，其中疲勞破壞是最常見的原因之一［4］。而結(jié)構(gòu)的疲勞破壞會對海洋石油的開采、工作人員的安全及海洋環(huán)境都會產(chǎn)生影響。因此，為保證張力腿平臺的安全性，并使其經(jīng)濟(jì)效益最大化，對張力腿平臺進(jìn)行疲勞壽命預(yù)報(bào)，疲勞強(qiáng)度分析與校核就顯得尤為重要［5-7］。

目前，對于張力腿平臺，研究總體強(qiáng)度和耦合運(yùn)動響應(yīng)的比較多［8］；而對于張力腿平臺的疲勞問題，其研究對象大多是系泊系統(tǒng)［9］，對張力腿平臺主體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度研究較少。本文利用 SESAM 軟件，對張力腿平臺主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，并在分析過程中，研究關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型的劃分方法，總結(jié)網(wǎng)格劃分過程中的經(jīng)驗(yàn)。

1　疲勞分析的譜分析法

譜分析法是海洋平臺疲勞強(qiáng)度分析過程中比較常用的分析方法，中心思想是首先求解出海洋平臺受到的波浪載荷，然后通過解析方法得到結(jié)構(gòu)的波浪力譜，最后施加到海洋平臺上，得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)譜［10］；也可通過數(shù)值分析方法，直接獲得海洋平臺的應(yīng)力響應(yīng)譜，然后結(jié)合結(jié)構(gòu)響應(yīng)譜的統(tǒng)計(jì)特性、應(yīng)力響應(yīng)的分布特性及 Miner 累積損傷理論來預(yù)報(bào)海洋平臺的疲勞壽命。采用譜分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的具體過程如下：

1）計(jì)算應(yīng)力傳遞函數(shù)和應(yīng)力響應(yīng)譜

假設(shè)波浪是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，經(jīng)過變換得到的交變應(yīng)力也是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，由隨機(jī)過程理論，上述 2 個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過程的功率譜密度之間有下列關(guān)系：

2）計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)譜的 n 階譜矩

式中：mn為應(yīng)力響應(yīng)譜的 n 階矩；σ 為短期瑞利分布的均方差；TZ為波浪平均跨零周期。

3）求應(yīng)力響應(yīng)短期分布概率密度函數(shù)

假定各個(gè)短期海況應(yīng)力響應(yīng)分布若符合 Rayleigh分布，概率密度函數(shù)形式如下：

4）計(jì)算某一短期海況的疲勞損傷

波浪載荷是隨機(jī)載荷，其在結(jié)構(gòu)內(nèi)引起的交變應(yīng)力也是一隨機(jī)過程，因此結(jié)構(gòu)在某浪向、某短期海況作用下的疲勞累積損傷度可用下式表示：

式中：NL為在所考慮的整個(gè)設(shè)計(jì)期內(nèi)應(yīng)力范圍的總循環(huán)次數(shù)；A和m 為 S-N 曲線的參數(shù)。

5）計(jì)算總的疲勞損傷值

考慮各個(gè)浪向的概率以及該浪向下的各短期海況，可以計(jì)算得到總的疲勞累積損傷為：

式中：n 為短期海況的個(gè)數(shù)；k 為浪向的個(gè)數(shù)；ps， i為某一海況 i 的發(fā)生概率；pd， j為某一浪向 j 的分布概率；dij為在某一海況、某一浪向下的疲勞損傷度。

2　張力腿平臺疲勞壽命分析

2.1有限元模型的建立

張力腿平臺主要由下浮體、立柱及上部甲板組成，采用 SESAM 軟件的 GeniE 模塊建立有限元模型，如圖1 所示，平臺主尺度信息如表1 所示。

在建立整體有限元模型的過程中，采用 2 m 的網(wǎng)格密度，由板單元、梁單元和質(zhì)量塊組成，共有 34 588個(gè)節(jié)點(diǎn)和 48 058 個(gè)單元。

圖1　有限元模型Fig. 1　Finite element model

表1　主尺度信息Tab. 1　Information of main scale

2.2疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的選取

研究表明，疲勞破壞往往發(fā)生在結(jié)構(gòu)的不連續(xù)處和應(yīng)力集中的焊接節(jié)點(diǎn)處，對張力腿平臺所有可能發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析的工作量大，可行性差。比較合理的做法是：根據(jù)總體強(qiáng)度分析結(jié)果來篩選關(guān)鍵區(qū)域，在此過程中，要重點(diǎn)關(guān)注對總體強(qiáng)度影響較大的不連續(xù)處的焊接節(jié)點(diǎn)［11］。

本文通過 SESAM 的 Wadam 模塊對張力腿平臺進(jìn)行水動力分析，得到一階波浪力、附加質(zhì)量和附加阻尼等水動力基本參數(shù)，然后通過 SESAM 的 Sestra 模塊對張力腿平臺進(jìn)行總體強(qiáng)度分析，總體強(qiáng)度分析結(jié)果如圖2 所示，圖3 和圖4 分別為張力腿平臺所受的靜水壓力示意圖和波浪載荷示意圖。

從圖2 可看出，此張力腿平臺整體應(yīng)力分布均勻合理，在立柱與下浮體連接處和立柱與上甲板連接處的應(yīng)力比較大，圖5 和圖6 分別為這兩處的局部放大圖，而且這兩處恰恰是結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的焊接節(jié)點(diǎn)。因此疲勞關(guān)鍵區(qū)域選為立柱與下浮體連接處和立柱與上甲板連接處。確定疲勞關(guān)鍵區(qū)域后，疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)也隨之確定，如表2 所示。

圖2　總體強(qiáng)度分析Fig. 2　Analysis of overall strength

圖3　靜水壓力示意圖Fig. 3　Diagram of hydrostatic pressure

圖4　波浪載荷示意圖Fig. 4　Diagram of wave load

圖5　立柱與下浮體連接處Fig. 5　Connection of column and pontoon

圖6　立柱與甲板連接處Fig. 6　Connection of column and deck

2.3關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型的劃分方法和疲勞載荷計(jì)算

如圖2 所示，把立柱與下浮體連接處定為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 1，立柱與上甲板連接處定為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 2，通過GeniE 模塊建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的有限元模型，網(wǎng)格劃分后的模型如圖7 和圖9 所示。

根據(jù)局部模型邊界節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在整體模型中取出相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)的位移，作為局部模型的邊界條件，利用 SESAM 的 Submod 模塊，將總體強(qiáng)度模型中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)傳遞給子模型。因此，在局部有限元模型網(wǎng)格劃分時(shí)，特別注意邊界處網(wǎng)格單元的大小和位置應(yīng)與整體模型完全一致。

利用 SESAM 軟件對網(wǎng)格進(jìn)行劃分的過程中，如果處理的不恰當(dāng)，在不同網(wǎng)格密度的過渡區(qū)域會出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，這樣將無法進(jìn)行疲勞動載荷的計(jì)算，也就無法對熱點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析，因此要花費(fèi)很多時(shí)間來調(diào)整網(wǎng)格密度的大小和不同網(wǎng)格密度板的大小。有時(shí)對于個(gè)別出現(xiàn)畸形網(wǎng)格的地方，通過插入 Feature edge 來調(diào)整局部網(wǎng)格。

表2　疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)Tab. 2　Coordinate of fatigue critical node

在網(wǎng)格劃分過程中，網(wǎng)格要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，且要求疲勞熱點(diǎn)部位的網(wǎng)格大小為 t×t，其中 t 為疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的板厚。在實(shí)際劃分網(wǎng)格的過程中，用的網(wǎng)格密度為 0.03 m，0.1 m，0.5 m，1 m 和 2 m，從里向外逐漸增大，熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)格密度約為板厚 0.03 m，這樣算出來的熱點(diǎn)應(yīng)力更為準(zhǔn)確，圖8 為立柱與下浮體連接處密度為 0.03 m 的有限元模型，圖10 為立柱與甲板連接處密度為 0.03 的有限元模型。邊界區(qū)域的網(wǎng)格密度為 2 m，這是因?yàn)榭傮w模型中的網(wǎng)格密度為 2 m，在獲取子模型的邊界條件時(shí)，邊界上的節(jié)點(diǎn)可以吻合。

在 Wadam 中進(jìn)行水動力分析時(shí)，環(huán)境參數(shù)為：浪向角為 180°～270°，間隔 10°，等概率分布；周期為 2～32 s，間隔 2 s；海浪譜采用 Pierson Moskowitz（P-M）譜，根據(jù)中國南海海浪長期資料，可得到此海域波浪參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值如表3 所示。

2.4疲勞壽命預(yù)報(bào)

通過 Wadam 進(jìn)行水動力分析，然后 Sestra 計(jì)算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力傳遞函數(shù)，最后導(dǎo)入 Stofat 進(jìn)行疲勞壽命預(yù)報(bào)。

Stofat 在計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，根據(jù) ABS 規(guī)范［12］采用外推法。S-N 曲線的選取，同樣根據(jù) ABS 規(guī)范。對于非管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命時(shí)，采用 E 曲線；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 1（立柱與下浮體連接處）在海水中，所以采用 ABS-E-CP 曲線；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn) 2（立柱與上甲板連接處）暴露在空氣中，所以采用 ABS-E-A 曲線。它們的參數(shù)如表4 所示。

本文張力腿平臺的疲勞設(shè)計(jì)壽命為 20 年，根據(jù)ABS 規(guī)范［12］，疲勞安全因子應(yīng)分別取為 3，最后通過Stofat 計(jì)算出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命如表5 所示。

表3　南海海況統(tǒng)計(jì)資料Tab. 3　Statistics of the South China Sea

表4　S-N 曲線參數(shù)Tab. 4　Parameter of S-N curve

表5　關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)疲勞壽命結(jié)果Tab. 5　Fatigue life of critical node

3　結(jié)　語

海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評估是平臺結(jié)構(gòu)安全評估的重要內(nèi)容之一。本文應(yīng)用 SESAM 軟件，對一張力腿平臺關(guān)鍵部位進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度研究，其主要結(jié)論如下：

1）通過對張力腿平臺的總體強(qiáng)度分析，獲得了平臺容易產(chǎn)生疲勞破壞的 2 個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，分別為立柱與下浮體連接處和立柱與甲板連接處。

2）利用 SESAM 軟件對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析的過程中，特別要注意關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型的網(wǎng)格劃分，建議采用多梯度平穩(wěn)過渡的方法，這樣可以避免畸形網(wǎng)格的產(chǎn)生，從而使疲勞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力更加準(zhǔn)確。應(yīng)該在局部模型的邊界處設(shè)置與整體模型中相同的網(wǎng)格密度，并且局部模型的邊界應(yīng)在艙壁、T型材和加強(qiáng)筋處，這樣與整體模型中的網(wǎng)格能夠吻合，從而使局部模型獲得更加精確的邊界條件。

3）對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命分析結(jié)果表明，立柱與下浮體連接處的疲勞壽命為 62.7 年；立柱與甲板連接處的疲勞壽命為 148 年。本平臺的設(shè)計(jì)壽命是 20年，安全因子為 3，疲勞壽命預(yù)報(bào)結(jié)果表明關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求。相比較而言，立柱與下浮體連接處的疲勞損傷度大，疲勞壽命短，而且該位置處于海水中，如果發(fā)生疲勞破壞不易被發(fā)現(xiàn)，因此應(yīng)進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)。

［1］李潤培， 謝永和， 舒志. 深海平臺技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 中國海洋平臺， 2003， 18（3）： 1-5.

［7］楊鵬， 顧學(xué)康. 半潛平臺結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法比較［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2012， 34（8）： 112-118. YANG Peng， GU Xue-kang. Comparative researches of structural fatigue life assessment procedures for a semi-submersible platform［J］. Ship Science and Technology， 2012， 34（8）：112-118.

［8］谷家揚(yáng)， 呂海寧， 楊建民. 張力腿平臺在隨機(jī)波浪中的耦合運(yùn)動響應(yīng)研究［J］. 船舶力學(xué)， 2013， 17（8）： 888-900. GU Jia-yang， LV Hai-ning， YANG Jian-min. Studies on coupling dynamic response of TLP in stochastic waves［J］. Journal of Ship Mechanics， 2013， 17（8）： 888-900.

［9］余建星， 張中華. 波、流聯(lián)合作用下張力腿平臺系索系統(tǒng)疲勞可靠性分析方法研究［J］. 海洋技術(shù)， 2009， 28（2）： 69-72. YU Jian-xing， ZHANG Zhong-hua. Research on fatigue reliability of tension leg platform tendon system under wave and current［J］. Ocean Technology， 2009， 28（2）： 69-72.

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［11］白艷彬. 深水半潛式鉆井平臺總體強(qiáng)度分析及疲勞強(qiáng)度評估［D］. 上海： 上海交通大學(xué)， 2010.

［12］ABS. Guide for the fatigue assessment of offshore structures［S］. Houston， TX： American Bureau of Shipping，2003.

Fatigue strength analysis of tension leg platform based on SESAM

JI Chun-yan， GUO Jian-ting， WU Shuai， LU Yun
（School of Naval Architecture and Offshore Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

The finite element model was made taking the tension leg platform as the research object. The key area of the fatigue and the key points' coordinates of the fatigue were determined through overall strength analysis. Then the local model of the key area was made. The approach of dividing grids was researched about the local model. The stress transfer function was calculated through using Sestra module in SESAM. In the end， based on the Stofat module， using the linear extrapolation， the stress of the key fatigue points was obtained. According to the S-N curve， the fatigue life of tension leg platform was calculated. The results show that the fatigue strength of tension leg platform meets the requirements of the design life.

tension leg platform；fatigue strength；finite element

P751

A

1672-7619（2016）05-0039-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.009

2015-10-27；

2015-11-30

國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（51409129）

嵇春艷（1976-），女，教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋結(jié)構(gòu)物的力學(xué)性能、動力性能及減振方法。