﻿ 基于SESAM软件的张力腿平台疲劳强度分析
 舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (5): 39-43,48 PDF

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
Abstract: 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.
Key words: tension leg platform     fatigue strength     finite element
0 引言

1 疲劳分析的谱分析法

1）计算应力传递函数和应力响应谱

 ${{S}_{\sigma }}\left( \omega |{{H}_{S}},{{T}_{Z}},\theta \right)={{\left| H\left( \omega |\theta \right) \right|}^{2}}\cdot {{S}_{\eta }}\left( \omega |{{H}_{S}},{{T}_{Z}} \right)。$ (1)

2）计算应力响应谱的 n 阶谱矩

 ${{m}_{n}}=\int\limits_{0}^{+\infty }{{{\omega }^{n}}}\cdot {{S}_{\sigma }}\left( \omega |{{H}_{S}},{{T}_{Z}},\theta \right)\text{d}\omega \text{,}$ (2)
 ${{T}_{Z}}=2\pi \sqrt{\frac{{{m}_{0}}}{{{m}_{2}}}},$ (3)
 $\sigma =\sqrt{{{m}_{0}}}\text{。}$ (4)

3）求应力响应短期分布概率密度函数

 $\sigma =\sqrt{{{m}_{0}}}。$ (5)

4）计算某一短期海况的疲劳损伤

 ${{d}_{ij}}=\frac{{{N}_{L}}}{A}\int\limits_{0}^{+\infty }{{{S}^{m}}}g\left( S \right)\text{d}S\text{。}$ (6)

5）计算总的疲劳损伤值

 $D=\sum\limits_{i=1}^{n}{\sum\limits_{j=1}^{k}{{{p}_{s,i}}}}{{p}_{d,j}}{{d}_{ij}}。$ (7)

2 张力腿平台疲劳寿命分析 2.1 有限元模型的建立

 图 1 有限元模型 Fig. 1 Finite element model

2.2 疲劳关键节点的选取

 图 2 总体强度分析 Fig. 2 Analysis of overall strength

 图 3 静水压力示意图 Fig. 3 Diagram of hydrostatic pressure

 图 4 波浪载荷示意图 Fig. 4 Diagram of wave load

 图 5 立柱与下浮体连接处 Fig. 5 Connection of column and pontoon

 图 6 立柱与甲板连接处 Fig. 6 Connection of column and deck

2.3 关键节点有限元模型的划分方法和疲劳载荷计算

 图 7 关键节点 1 有限元模型 Fig. 7 Finite element model of key node one

 图 8 密度为 0.03 m 的有限元模型 Fig. 8 Finite element model of density of 0.03 m

 图 9 关键节点 2 有限元模型 Fig. 9 Finite element model of key node one

 图 10 密度为 0.03 m 的有限元模型 Fig. 10 Finite element model of density of 0.03 m

2.4 疲劳寿命预报

Stofat 在计算热点应力时，根据 ABS 规范[12]采用外推法。S-N 曲线的选取，同样根据 ABS 规范。对于非管节点结构，在计算结构的疲劳寿命时，采用 E 曲线；关键节点 1（立柱与下浮体连接处）在海水中，所以采用 ABS-E-CP 曲线；关键节点 2（立柱与上甲板连接处）暴露在空气中，所以采用 ABS-E-A 曲线。它们的参数如表 4 所示。

3 结语

1）通过对张力腿平台的总体强度分析，获得了平台容易产生疲劳破坏的 2 个关键节点，分别为立柱与下浮体连接处和立柱与甲板连接处。

2）利用 SESAM 软件对结构的疲劳强度进行分析的过程中，特别要注意关键节点有限元模型的网格划分，建议采用多梯度平稳过渡的方法，这样可以避免畸形网格的产生，从而使疲劳关键节点的应力更加准确。应该在局部模型的边界处设置与整体模型中相同的网格密度，并且局部模型的边界应在舱壁、T型材和加强筋处，这样与整体模型中的网格能够吻合，从而使局部模型获得更加精确的边界条件。

3）对关键节点进行疲劳寿命分析结果表明，立柱与下浮体连接处的疲劳寿命为 62.7 年；立柱与甲板连接处的疲劳寿命为 148 年。本平台的设计寿命是 20 年，安全因子为 3，疲劳寿命预报结果表明关键节点满足设计要求。相比较而言，立柱与下浮体连接处的疲劳损伤度大，疲劳寿命短，而且该位置处于海水中，如果发生疲劳破坏不易被发现，因此应进行定期的检查和维护。

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