海洋固定平台动力疲劳分析程序DYFAT及其与SACS的比较.pdf

海洋固定平台动力疲劳分析程序null nullnullnull null 及其与null nullnull null 的比较孙复中 高志龙一朵null京几‘址日“七勺沙伯翻吞nullnull引nullnull 中国船拍及海洋工程设计研完院null深水固定式桩基导管架平台在随机海浪的作用下, 由于其结构自振频率处在遭遇的波浪频率范围内, 平台的动力响应会在构件中引起很大的应力放大 在长期较大的交变应力作用下, 导管架管节点热点处会产生疲劳, 疲劳破坏是该类平台结构破坏的主要形式 因此对深水导管架平台进行动力疲劳分析是必不可少的随着近海油田开发逐步向深海发展, 国外对一深水导管架平台的动力分析进行了较系统的研究, 开发了多种不同的计算方法 归纳起来有两种, 一是频域谱分析法, 二是时域积 分法 null 年代初, 我国近海油田开发出现了高潮, 国内许多单位和学者对此也进行了不少研究, 取得了很大进展, 但在工程实际应用中各种方法都还有其不足之处 频域法计算方便, 特另null适用于结构特性与频率有关的线性系统, 对弱非线性系统一也可经线性化后迭代求解 但因传递函数不是常数, 对不同海浪需分别计算其各自的传递函数, 失去了谱分析法 省 时的特点。

时域法虽可用于计算线性和非线性外力作用下系统的动力响应 但需对每一短期海浪在较长的时历范围内计算外力的时历变化, 并在很短的时步内数值积分 计算工作量很大, 精度也不一定高 对于结构特性与频率有关的系统, 时域法就无能为力了导管架平台在海浪中的动力响应是一非线性系统 波浪外力是强非线性的, 桩基也有较大的非线性影响, 严格地讲也与频率有关 对于这样的系统, 采用频域法理论上有欠合理,很难处理浪流合成的非线性外力, 计算时间也不省 采用nullnullnull 域法, 时历积分所化时间太长, 特另null是对疲劳分析, 且很难处理与频率有关的桩基影响 对于桩基的非线性动力特性, 两种方法都有很大困难 因为此结构的非线性使结钩的自振频率和振型均与运动幅值有关 虽也可用迭代法解, 但计算工作量太大, 工程应用上是无法接受的 基于这些考虑, 中国船舶及海洋工程设计研究院的作者从工程应用出发, 在适当简化的前提下, 提出了一套比较合理的、省时的时频域联合分析模态综合法, 并编制了相应的程序 为了证实其合理性和可靠性, 此程序在美国船级社与他们公司租用的美国工程动力公司的 nullnull null null 程序进行了详细的比较。

null null 基本原理和计算方法时频域联合分析模态综合法是根据海浪的长期分布, 采用加权平均的方法把具有同样有义波高、 卜同平均周期的海浪谙加权平均为一短期加权海浪谱按此加权海浪谱模拟海浪运动的时历变化并计算海浪和流的合叹载荷的时历 应用构束分析模态综合法, 并把时域的载荷转换至频从 , null‘null 求解结构的模态位移 由此模态位移和单位模态应力直接总合得管节点各点处的应力null 历和应力谱 由此应力谱和材料的 null 一 null 曲线根据迈纳 null null nullnull null null 法则计算结构的累积损坏率和疲劳寿命null null 基本假定及座标系统 本方法假定, 导管架平台在长期非平稳随机海浪中的动力响应可为一系列确定慨率的短期平捻海浪中的动力响应的总合null 运功啊应的幅值是微幅的, 结构自振频率和振型与响应的幅值大小无关null 组成导管架平台结构的构件截面尺寸与波长相比为小数 null小于 nullnull null 波长null , 波浪外力和流体动力是非线性的 null 短期海浪中应力响应的幅值分布仍符合瑞雷nullnull null null null 瓦null分布。

按此基本假定, 导管架平台在非平稳随机海浪中的动力疲劳分析成为一个求解线性结构, 在非线性外力作用下的平稳随机响应的问题八卜 」null 长浏瀚冈null眯少几图 null 座标系统分析中采用三种不同方向的右手直角座标系, 整体结构座标系null null nullnull,单体座标系 null nullnull null null 和面内面外座标系 null null null , null声 , 见图nullnull null 运动方程和模态综合 导管架平台结构主要由上部平台、 导管架和柱基三部分组成 整个结构经有限元离散后, 以整体结构座标表示的运动方程表示为null〔nullnull〕 nullnull nullnull null null null〕nullnull nullnull 〔null nullnull nullnull null null nullnullnull nullnullnull null nullnullnull其中 〔null〕、 〔nullnull〕和 〔null日 分别为整个结构的质量、 阻尼和刚度阵nullnullnull null null 为浪流合成引起的外力阵null nullnull 、 nullnull 和 nullnull 分别为结构的位移、 速度和加速度向量。

此运动方程的自由度数目极大 , 且结构各部分处于不同的介质中, 直接求解运动方程比较困难 现采用拘束分枝模态综合法, 把上部平台和导管架作为主体结构, 桩基部分作为分枝结构 求解时先把桩基的质量和刚度按拘束模态的特性缩聚 null或称对接加载null 至主体结构和分枝结构的界面处 缩聚质量和刚度阵为〔nullnull null〕 null 〔中null〕null 〔叽」 〔中null〕 〔null nullnull〕 null 〔小null〕 了 【null 〕 〔中null〕 nullnull null其中 〔咖」为桩的拘束模态null 即桩端单位位移引起的桩体位移阵, 可由桩的静力分析得 桩的阻尼阵如无可靠的数据可并入结构的总阻尼中, 以比例阻尼表示 如有桩基的动力分析数据则可把桩基的阻抗矩阵作为缩聚的质量、 刚度和阻尼阵 桩基的阻抗矩阵一般是与频率有关的 为简化起见, 求解桩基阻抗矩阵时可按海浪的平均周期计算分别求解对接加载后主体部分和分枝部分的模态, 然后按界面处的位移连续条件得模态综合矩阵吸nullnull口了万null九丸仇八〔null口 nullnull null动null功。

娜夕了null‘、null一此拘束分枝模态综合法的特点是界面处的自由度并不出现在模态综合运动方程 中 深水导管架桩的数目很多, 界面处的自由度数很大, 此方法大大减少了模态综合运动方程的阶数 但模态综合后运动方程仍是祸合的且保留了桩的模态 此运动方程一可进一步减缩和解祸得综合模态运动方程null〔null〕 null ”卜 nullnull〕null月null null 〔null 〕null月null null nullnullnullnullnull null nullnull null其中, 〔null,〕 二 〔动〕 null 〔null〕 null功〕 nullnull null总体结构座标系的位移与模态位移间的关系为nullnullnull null null 〔null 〕nullnull null null null功〕 〔null 心〕null月null nullnullnull结构运动方程经模悉综合并解祸减缩后, 运动方程的阶数可取得很低 一般对导管架平台在随机海浪中的运动响应模态取null 一null 阶就足够了, 对自升式平台阶数可取得更小nullnullnull 波浪外力和流体劝力。

为了简化海浪的长期分布节省疲劳分析的时间, 本文提出了加权平均谱的概念 加权平均谱是把具有null 同概率的有义波高相同、一 但平均周期不同的海浪谱加权平均为一个短期海浪 其二向度加权平均谱表示为nullnull ‘ null 月null null 艺null null几 nullnull null null null 、、 nullnull , 月nullnull nullnullnull null其中null 、、 null 幻 为海浪谱null null nullnull 二 null null nullnull 为平均周期 null 对有义波高null null 的条件概率 未加权的海浪谱仍可由null一null 谱、 null null null 谱和nullnullnull nullnull null null 谱等表示, 其数学表示可见有关文献 由此加权海浪谱按埃利 nullnull nullnull null 波的线性叠加模拟海浪水质点的速度和加速度与流合成后可表示为null、,尹nullnull吸null、null ‘几!∀null‘nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null null nullnull、· 。

null ·一null ‘nullnullnullnullnull null处null毗叽null null‘、nullnullnull、nullnull null nullnull null null nullnullnull null 艺 艺了 null null 、、null null null乙乙尽null” null‘null null “斋舒亿 null null、、 null “null null ‘“一 null null null null null其中 null null 二nullnull null null null厂二二 null二不 null , null null 二null nullnull null 入null nullnull nullnull null nullnullnull nullnull null null null null二曰nullnull nullnull null null null null nullnull null此处nullnull null为流速向量null null 为波向角null null 为均布概率的随机相位角null null 为波数 null null 为水深。

由于埃利波是一种线性的有限水深微幅波 其水质点的运动只算至静水面 null‘真实海浪的波面升高并不是一个小数, null巨波面处水质点的运动对结沟动力响应有很大影响 特别是对导管架平台, 因其自振频率较高, 对应的共振波一民很短null 这些短波的水质点运动随深度的减小极快, 因此有必要对埃利波作适当修正 本文的修正方法是把随机海浪的波面高度作为水深, 此水深是随时问和位置变化的, 组成随机海浪的各不同波长的埃利波沿波长各点处的水质点运动和压力均以此变化的水深计 求出每一瞬时导管架水面附近各杆件与随机波面的交点和杆件各点处所对应的波面高度, 以此波面高作为水深计算杆件各点的水质点运动 由此海浪水质点运动和结构的相对速度和加速度按莫里森null nullnull nullnullnull null公式计算波浪外力和流体动力, 表示为nullnullnull null nullnull null null nullnull nullnull null〕nullnull 一 nullnull null nullnull nullnull nullnull 告null 〔null 」 〔null null null nullnull 。

一 null null null null , ,其中 〔null二」和 〔null null〕分别为杆件的惯性力和曳力系数对角阵null null 为截面积null 〔null 」度对角阵null nullnull 二 null为海浪和结构的相对速度主直于杆件轴线的分量的绝对值, 下标null 。