基于谱分析法的深水导管架平台疲劳寿命可靠性分析

靠 性分 析就成 为重 要 的研究 内容 。传 统 的研 究 方法
是 通过 经验公 式 或有 限元 方 法 得 到构 件 热 点 应 力 ，
再 通过 一定 的近似 方 法 得 到 等 效疲 劳 应 力 幅 值 ， 但 这种 方 法把真 实 的随机载 荷过 程 简化成 等 幅载荷 过 程 ， 能 真 实 地 描 述 海 洋 波 浪 的 随 机 性 ］ 不 。针 对 ２ ０ｍ 水深 导管 架 平 台 ， 者 基 于 谱 分 析 理 论建 立 ０ 笔
（ ． 国石 油 大 学 （ 东 ） 运 与 建 筑 工 程 学 院 ； ２ 胜 利 工 程 设 计 咨 询 公 司 ） １中 华 储
摘 要 以 ２ ０ ｍ 水 深导 管 架平 台为研 究对 象 ， 用有 限元 方法对 各 疲 劳子 工况 下平 台的动 力响 ０ 采 应进行 分析 ， 定 了计 算 点处 的传递 函数 ， 确 并计 算 出相 应 的应 力谱 ； 据 Ｍｉｅ 根 ｎ ｒ线性 疲 劳 累积 损 伤
利用 传递 函数通 过海 洋波 浪谱 来预 测结 构 的波 浪诱 导 的应力谱 。设 Ｓ ｃ 和 Ｓ ） 别 为 平稳 （ ） ｕ 。（ 分
＊ 中石 化 集 团公 司重 点 攻 关 项 目（ 号 ： ００ ２ 部分 研 究 成 果 。 编 Ｐ ８３）
第一作者简介 ： 宗祥 ， ， 修 男 中国 石 油 大 学 （ 东 ）－￣ 学 专业 在读 博 士 研 究 生 。地 址 ： 华 ｑ ｌ力 山东 省 东 营 市 中 Ｉ ￣ １大 学 （ 东 ） 运 与 建 筑 工 Ｎ ５／ ｔ ｔ 华 储 程 学 院 （ 编 ：５ ０ １ 。 邮 ２ ７ ６ ）
幅相 比就得 到该 圆频率 下传 递 函数 的值 。取一 系列 不 同 的圆频率 按 上述 方 法 计 算 ， 保 证 足 够 的数 量 并 以确 定传 递 函数 中所 固有 的峰 值 和谷 值 ， 就可 得 到
传递 函数 Ｈ（ 关 于 的分 布规 律 。 ）
１ ２ 分 段 连 续 型 载 荷 谱 下 的 应 力 参 数 ．
理论及 结构 可 靠性理论 对 平 台的疲 劳寿命 可 靠性进 行 了分析 ； 泥 面 以 下 ６倍 桩径 处 固定 的等 效 对
桩 做 法在 深 水 导 管 架 平 台 动 力 分 析 中的 适 用 性 进 行 了分 析 。 对 于 深 水 导 管 架 平 台 ， 用 泥 面 以 下 采 ６倍 桩 径 处 固 定 的 等 效 桩 做 法 存 在 较 大 误 差 ， 行 动 力 分 析 时 须 采 用 桩一 耦 合 模 型 ； 高 较 小 海 进 土 波
谱 分析 疲 劳可靠性 传 递 函数
应 力谱
深水 导管架 平 台 因具 有工 作 水 深 较 大 、 工 方 施 便等 优点 而很快 得 到 推广 和发 展 ， 由于 海 洋 深水 但 环境 恶劣 ， 随着水 深 的增加 平 台 的动 力 响应 更加 且 明显 ， 因此 深水导 管 架 平 台 的疲 劳及 可 靠 性 问题 也 更加 突 出。波浪 具有很 大 的随 机性 ， 因此 ， 如何 进行
对 结构 的疲 劳寿命 进行 分析 。
在某 一 海况 中 ， 变 应 力 为一 均 值 等 于零 的 窄 交
带 平 稳 正 态 随 机 过 程 ， 据 随 机 过 程 理 论 可 知 ， 力 根 应
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１ 随 机 疲 劳 寿命 可靠 性 分 析
１ １ 随 机 应 力 谱 ．
峰 值服 从 Ｒ ｙｅｇ ａ ｌｉｈ分 布 。当交 变 应 力 过 程 为 窄 带
时， 跨零 率等 于峰 值率 ， 应力 每跨 越零 均值 一次 即 出
现一 个 峰值 ， 时所有 的峰 值都 是正 的 ， 这 于是可 以假
设应 力 范 围 Ｓ与应 力 峰值 之 间 的关系 Ｓ＝２ 。由 ｙ 此 可知应 力 范 围也 服从 Ｒ ｙｅ ｈ分 布 ， 概 率密 度 ａ ｌｇ ｉ 其
随 机 波 浪 荷 载 作 用 下 深 水 导 管 架 平 台 结 构 的 疲 劳 可
正 态 随 机 波 浪 过 程 ｒ ｔ与 平 稳 正 态 随 机 交 变 应 力 过 ｌ） （
程 口 ｆ的功率 谱 密度 函数 ， （） 则有 ＿ ２ ］ Ｓ 叫 （ ）一 Ｊ ∞ （ ） Ｈ（ ）ｌ Ｓ ∞ （） １
有 限元 计算 模 型 ， 过 对 随 机 波 浪荷 载 作 用 下 深水 通
导管架 平 台进行 结 构 动力 响应 计 算 ， 定 应力 传 递 确
函数 ， 得到 随机应 力 谱 ； 此 基 础上 ， 于 Ｍｉｅ 线 在 基 ｎｒ 性 疲劳 累积损 伤原 理 和 可 靠 性 理论 ， 概率 的角 度 从
况下 ， 台结构应 力谱 对应 于波 浪主频 率 的峰值 较 小 、 平 对应 于平 台前 两阶 固有频 率 的峰 值 较 大 ， 后
者是 导致平 台疲 劳破坏 的 主要 原 因； 导管 架过 渡段 到 第三 水平 层 之 间 节点 及 泥 面 处节 点 的 可靠 性
指标 相 对较 小 。
关键 词 深水 导 管架
式 （ ） ： ） １ 中 Ｈ（ 为传 递 函数 ； 圆频 率 。 ∞为
采用 时 间域 内作用 规则 波来 确定 传递 函数 。假 定 导 管架平 台结 构受 一 给定波 幅 和 圆频 率 的规则 波 作用 ， 根据 Ｍｏｉ ｎ公 式 计 算 作 用在 导 管 架 结 构上 ｒｏ ｓ 的波浪 诱导 载荷 ， 后 采 用 有 限元 法 对 导 管 架 平 台 然 结 构进 行动 力 响应 力 分 析 ， 到平 台结 构 的应 力 和 得 位 移等 响应 ， 将所 得 到 的 研究 部位 的响 应 幅 值 与波
第 ２ 卷 第 １ ２ 期 ２１ ０ ０年 ２月
中 国 海 上 油 气
Ｃ Ｈ Ｉ Ａ Ｎ ＯＦＦＳＨ Ｏ ＲＥ Ｌ Ｎ Ｄ ＡＳ ＯＩ Ａ Ｇ
Ｖｏ． ２ Ｎｏ １２ ．１ Ｆｅ ２ Ｏ ｂ． ０１
基 于谱分 析 法 的深水 导管 架平 台疲劳 寿命可 靠性分 析 ＊
修 宗祥 杨 秀 娟 闫相 祯 冯 永 训