基于譜-譜雙參數(shù)法的火炬臂疲勞分析

基于譜-譜雙參數(shù)法的火炬臂疲勞分析

0總結(jié)火炬臂結(jié)構(gòu)的主要功能是燃燒和排放產(chǎn)生的氣體。在蝙蝠o中，火炬臂通常布置在船的開頭和尾部。由于火炬臂為高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)激疲勞1計(jì)算模型和設(shè)計(jì)參數(shù)1.1火炬臂結(jié)構(gòu)模型以南海某FPSO的火炬臂為例，使用SACS軟件建立火炬臂結(jié)構(gòu)模型，如圖1～圖3所示?；鹁姹坶L(zhǎng)度為85m，火炬臂荷載包括結(jié)構(gòu)自重、管線質(zhì)量、附屬構(gòu)件質(zhì)量等。火炬臂位于船首側(cè)，設(shè)計(jì)使用壽命為30a，疲勞安全因數(shù)取2.0。1.2應(yīng)力集中因數(shù)S?N曲線表示疲勞應(yīng)力幅與最大許用循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，S?N曲線的選取主要考慮目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的類型、焊接和檢驗(yàn)方式等。應(yīng)力集中因數(shù)是指熱點(diǎn)應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值。DNV規(guī)范1.3方向不一致FPSO可以繞系泊塔自由旋轉(zhuǎn)，在環(huán)境荷載比如波浪和風(fēng)荷載作用下，船首會(huì)旋轉(zhuǎn)至來浪方向。在旋轉(zhuǎn)過程中，一定時(shí)間內(nèi)船首方向與風(fēng)浪流方向不一致，即風(fēng)浪流作用于船側(cè)方向，但在現(xiàn)有的環(huán)境數(shù)據(jù)和船舶響應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，仍然無法評(píng)估環(huán)境荷載作用于船側(cè)情況在服役期的占比。計(jì)算火炬臂因船體運(yùn)動(dòng)引起的疲勞和風(fēng)激疲勞時(shí)，保守考慮，取180°方向（船首方向）的時(shí)間占比為100%，從180°位置沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向各偏轉(zhuǎn)45°來考慮環(huán)境荷載作用于船側(cè)的情況即135°和225°，兩個(gè)方向的時(shí)間占比均為7.5%，總占比為115%。1.4rao數(shù)據(jù)根據(jù)以上來浪方向分別計(jì)算135°、180°和225°方向船體搖心處的RAO位移響應(yīng)，如圖4～圖6所示。2方程中的電壓聚焦2.1應(yīng)力集中因數(shù)火炬臂根部拐點(diǎn)位置采用管與管對(duì)接的形式，如圖7所示，該位置的應(yīng)力集中因數(shù)須通過有限元分析計(jì)算得到。有限元模型如圖8所示，采用8節(jié)點(diǎn)SHELL93單元，網(wǎng)格尺寸采用1倍筋板厚度，管底部位置固接約束，管上部建立耦合約束，荷載施加在耦合節(jié)點(diǎn)上。2.2管截面應(yīng)力的計(jì)算依據(jù)DNV-RP-C203應(yīng)力外推法計(jì)算拐點(diǎn)截面熱點(diǎn)應(yīng)力即為該位置的應(yīng)力集中因數(shù)，計(jì)算方法如下：(1）根據(jù)管截面參數(shù)，分別計(jì)算受壓、受面內(nèi)彎和受面外彎時(shí)上管截面的名義應(yīng)力，應(yīng)力值為1時(shí)作為各工況的計(jì)算荷載。(2）在拐點(diǎn)截面的最大應(yīng)力點(diǎn)位置處，沿主應(yīng)力方向分別求出距離該位置t/2和3t/2(t為應(yīng)力路徑上的管壁厚）的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。(3）利用插值法求出熱點(diǎn)應(yīng)力即為拐點(diǎn)截面在對(duì)應(yīng)工況下的應(yīng)力集中因數(shù)。2.3熱點(diǎn)應(yīng)力分析面內(nèi)彎工況下的應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。計(jì)算位置點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力為式中：σ各工況下的應(yīng)力集中因數(shù)如表2所示。將表2的拐點(diǎn)位置應(yīng)力集中因數(shù)值代入SACS計(jì)算文件中，可以求得拐點(diǎn)位置的疲勞損傷。3疲勞分析3.1波浪發(fā)生頻率波浪和風(fēng)都可認(rèn)為是平穩(wěn)的隨機(jī)過程，以波浪為例，其服從窄帶高斯分布，如果將FPSO結(jié)構(gòu)視作線性系統(tǒng)，則得到的應(yīng)力響應(yīng)服從瑞利分布。隨機(jī)過程可由頻率不同的簡(jiǎn)諧波疊加組合而成，海浪的總能量由各組成波提供，海浪能量相對(duì)于各組成波的概率分布構(gòu)成海浪這一隨機(jī)過程的頻域特性。選用PM譜計(jì)算波浪所致疲勞。PM譜是由風(fēng)浪觀測(cè)譜擬合得到的，是海洋工程中最常用的波浪譜之一。在計(jì)算風(fēng)譜疲勞時(shí)，選用HARRIS風(fēng)譜并考慮陣風(fēng)效應(yīng)，生成計(jì)算風(fēng)譜疲勞所用的風(fēng)荷載。3.2計(jì)算過程利用SACS軟件分別進(jìn)行火炬臂因船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的疲勞以及風(fēng)激疲勞分析，主要分析流程如圖10所示。3.3組合疲勞損傷FPSO上的火炬臂在服役期間，既要承受船體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載，也要承受脈動(dòng)風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)荷載，兩過程都會(huì)產(chǎn)生疲勞問題。但是，由于兩過程的作用頻率不一樣，將損傷進(jìn)行線性疊加是不保守的。DNV-RP-C203附錄F給出了計(jì)算組合疲勞損傷的推薦公式為式中：D為組合疲勞損傷；D為簡(jiǎn)化處理，可認(rèn)為風(fēng)荷載響應(yīng)與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的頻率相等（v簡(jiǎn)化公式是一種非常保守的計(jì)算方法，如有必要，可通過計(jì)算兩過程的平均上跨零周期得到更準(zhǔn)確的疲勞損傷。4計(jì)算4.1管理節(jié)點(diǎn)管節(jié)點(diǎn)由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的疲勞和風(fēng)激疲勞以及二者組合疲勞損傷結(jié)果如表3所示，結(jié)果顯示管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命均大于30a的使用壽命。4.2過渡錐的位置匹配過渡錐位置處因運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的疲勞和風(fēng)激疲勞以及二者組合疲勞損傷結(jié)果如表4所示。結(jié)果顯示，管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命均大于30a的使用壽命。5組合疲勞損傷以南海某FPSO上的火炬臂設(shè)計(jì)為例，總結(jié)出一套FPSO火炬臂疲勞分析方法，該方法可綜合考慮船體運(yùn)動(dòng)與風(fēng)荷載作用的組合疲勞損傷，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)提供參考。(1）對(duì)于傾斜式火炬臂，根據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范的插值方法，基于有限元軟