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在我國(guó)南海深海油氣資源開(kāi)發(fā)中，新型半潛式鉆井平臺(tái)由于眾多優(yōu)點(diǎn)將發(fā)揮主要作用。由于處在各種惡劣海況和復(fù)雜交變載荷作用下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞破壞是結(jié)構(gòu)失效的重要方面。因此對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析是十分必要和關(guān)鍵的。
目前船舶與海洋工程界對(duì)海洋平臺(tái)疲勞有限元分析方法主要有簡(jiǎn)化疲勞分析方法、譜分析方法以及確定性方法。一般簡(jiǎn)化疲勞分析方法主要是基于疲勞應(yīng)力的Weibull分布假設(shè)，用經(jīng)驗(yàn)推薦的形狀參數(shù)和計(jì)算得到的尺度參數(shù)代入擬合出該Weibull分布從而進(jìn)行疲勞計(jì)算。譜分析法則是通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)合波浪譜和波浪概率分布來(lái)計(jì)算應(yīng)力長(zhǎng)期分布，更為精確和直接，計(jì)算量也更大。確定性方法主要基于經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行疲勞壽命估算，精確性也不及譜分析法。謝文會(huì)等對(duì)新型半潛平臺(tái)采用簡(jiǎn)化疲勞方法進(jìn)行疲勞分析，并給出該類平臺(tái)簡(jiǎn)化疲勞分析參數(shù)推薦，結(jié)果的準(zhǔn)確度需要參照譜分析結(jié)果作為驗(yàn)證。游源、唐文勇等采用譜分析法對(duì)多柱式Spar平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命計(jì)算。馬網(wǎng)扣等采用譜分析法對(duì)北大西洋海域某橫向縱向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的深水半潛式平臺(tái)疲勞壽命分析，計(jì)算取四個(gè)浪向進(jìn)行，不包括所有可能的危險(xiǎn)浪向。張劍波等依據(jù)規(guī)范疲勞計(jì)算曲線對(duì)半潛鉆井船的典型節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并不是直接全概率下的疲勞分析。
以中國(guó)南海海域某新型深水半潛式鉆井平臺(tái)為目標(biāo)平臺(tái)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜。采用熱點(diǎn)應(yīng)力譜分析法分13個(gè)浪向完成了主體結(jié)構(gòu)典型連接節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度分析，結(jié)果可以為該類平臺(tái)的連接節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和疲勞強(qiáng)度評(píng)估提供參考。這里還分析了各短期海況和不同浪向造成的疲勞損傷度占總損傷度的比例，來(lái)反映不同因素對(duì)于疲勞損傷的影響，為疲勞損傷對(duì)海況和浪向的敏感性研究提供參考。
疲勞計(jì)算的關(guān)鍵步驟是要準(zhǔn)確得到分析部位的應(yīng)力長(zhǎng)期分布情況。譜分析法的基本思想是直接求解平臺(tái)遭受的波浪載荷到結(jié)構(gòu)應(yīng)力的傳遞函數(shù)，結(jié)合波浪譜得到各個(gè)短期海況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)譜，由應(yīng)力譜的統(tǒng)計(jì)特性按照Rayleigh分布得到應(yīng)力的概率密度曲線。再結(jié)合海域的各個(gè)短期海況的出現(xiàn)概率分布得到應(yīng)力的長(zhǎng)期分布，然后就可以利用線性累積損傷理論計(jì)算節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。
疲勞強(qiáng)度譜分析過(guò)程主要分為四部分：
1)危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的篩選。在總體強(qiáng)度分析的危險(xiǎn)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行篩選。
2)熱點(diǎn)應(yīng)力傳遞函數(shù)和功率譜的獲得。對(duì)選出的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，得到應(yīng)力集中因子模型，并施加疲勞載荷，按照不同浪向和頻率的組合工況進(jìn)行計(jì)算得到應(yīng)力的傳遞函數(shù)。結(jié)合波浪散布圖和波浪譜可以得到功率譜密度函數(shù)。
3)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的概率分布的確定。在合理假定的應(yīng)力分布概率類型下，代入功率譜的統(tǒng)計(jì)參數(shù)得到。
4)疲勞損傷度和疲勞壽命的計(jì)算。線性損傷基于應(yīng)力分布和試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)曲線計(jì)算得到，結(jié)合設(shè)計(jì)壽命和安全因子可以計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷度和疲勞壽命。
疲勞應(yīng)力的選取主要有切口應(yīng)力、熱點(diǎn)應(yīng)力、名義應(yīng)力。熱點(diǎn)應(yīng)力指焊趾等熱點(diǎn)處的應(yīng)力，是疲勞分析主要采用的應(yīng)力。結(jié)合船級(jí)社規(guī)范和國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)有限元分析方法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力的研究成果，這里推薦在局部結(jié)構(gòu)精細(xì)的有限元模型分析基礎(chǔ)上，采用8節(jié)點(diǎn)殼單元，選擇離焊縫距離t/2和3t/2(t為板厚)的兩個(gè)點(diǎn)線性外推得到熱點(diǎn)的各應(yīng)力分量，外推方法如圖所示。再根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中應(yīng)力張量分析計(jì)算熱點(diǎn)主應(yīng)力，作為疲勞分析的熱點(diǎn)應(yīng)力。
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