0 引　言

海洋平台吊机具有结构紧凑、作业工况复杂、承载状况恶劣、安全可靠性要求较高等特点^[1]。吊机起吊过程中，在不同吊臂水平旋转角度下，需要承受所吊物体的重量及风载荷等的循环作用，在循环往复的载荷作用下，吊机基座会发生疲劳破坏，从而引起安全事故并造成巨大的经济损失。因此对吊机基座进行疲劳强度分析至关重要。

随着海洋平台技术的飞速发展，人们对海洋平台的经济性、舒适性、噪声控制的要求越来越高，同时对在多种载荷作用下基座的结构强度也有者严格的规范标准。张皓等^[2]对多种载荷作用船用基座强度进行了研究，得出核安全级基座结构设计应优先考虑冲击载荷的作用；赵宏平^[3]通过多参数强度失配因子，总结了一种基座损伤数值最小的强度优化分析方法；高森^[4]通过声学设计与噪声预报技术，实现了舰船基座设计的优化；张星等^[5]提出在设计初期，将软管吊等基座局部结构受力设备考虑在内，能够缩短船舶的设计周期；林娟颖等^[6]将有限元分析方法引入铣床基座结构设计中，能够有效的提高机床加工精度。陈思博^[7]采用Patran软件对吊机基座进行了结构强度分析，并基于遗传算法构造代理模型对吊机基座进行了优化；Zhu等^[8]考虑了永久载荷、可变载荷和风载荷对吊机基座结构强度进行了分析；Krukowski等^[9]研究了吊机减震器对吊机基座的影响，评估了大动态载荷下减震器的有效性；Krukowski等^[10]提出一种起重机建模的刚性有限元法，可以减少系统引入的自由度；贾兴军^[11]采用概率断裂力学理论、疲劳载荷理论，对吊机剩余寿命进行估算，提出了吊机剩余寿命由危险受力点决定；崔进等^[12]分别运用S-N曲线及简化疲劳方法对吊机基座疲劳问题进行了分析研究，并提出了改善措施。

目前对吊机基座结构分析的研究中，浮式结构平台及船用吊机基座较多，而固定式平台吊机基座的研究主要集中于结构强度及优化分析。本文对某固定式海洋结构平台，基于起升载荷及风向概率分布的风载荷对吊机基座疲劳强度进行了分析，并与直接组合起升载荷及风载荷下的疲劳损伤值计算结果进行了对比，以期为其他固定式平台局部结构的疲劳分析提供参考。

1 吊机基座分析方法

根据CCS《船舶与海上设施起重设备规范》^[13]，由吊机的用途和工作特性，需要考虑以下几种力和载荷：自重载荷、起升载荷、船舶倾斜产生的力、风载荷与环境载荷等。本文中吊机基座位于固定式平台结构，吊机工作状态可以进行360°旋转，因此在基于S-N曲线法进行疲劳分析时，根据风向概率分布图，采用每30°进行工况组合，计算不同角度风载荷作用下吊机基座的疲劳损伤值，并与起升载荷作用下疲劳损伤值进行叠加。吊机起升载荷及风载荷根据文献[13]计算，S-N曲线法的疲劳分析根据文献[14]计算。

吊机的起升载荷由吊机的吊重决定，但同时受作业系数及起升系数的影响，吊机的作业系数根据吊机的形式和用途确定，起升系数可按下式计算：

${\phi _h} = 1 + CV 。$

(1)

式中：${\phi _h}$为起升系数，本文取1.10；$C$为吊机刚度系数；$V$为起升速度。

作用在基座及吊机吊臂上的风载荷计算式为：

$q = 0.613{v^2} 。$

(2)

式中：$q$为风压；$v$为风速，吊机工作时的风速按20 m/s取值。

在风载荷及起升载荷下，采用S-N曲线法计算吊机基座的疲劳损伤，基于Miner线性累积损伤理论进行损伤累计。根据DNVGL-RP-C203规范，S-N曲线数学表达式为：

$\log N = \log \overline a - m\log \left( {\Delta \sigma {{\left( {\frac{t}{{{t_{ref}}}}} \right)}^k}} \right) 。$

(3)

式中：$N$为允许疲劳循环次数；$\Delta \sigma$为应力幅；$m$为S-N曲线的反斜率；$\log \overline a$为S-N曲线中$\log N$轴截距；${t_{ref}}$为参考厚度，取25mm；$t$为可能发生裂纹板的厚度；$k$为厚度修正系数。

起升载荷下吊机基座20年的循环次数按10⁶次计算，风载荷作用下机基座20年的循环次数按10⁸次计算，风向概率分布如表1所示。

2 有限元模型 2.1 有限元模型

为能够准确的描述吊机基座的受力情况，需要对吊机基座进行三维模型分析，在进行局部结构模型分析时，需要选取合理的局部结构，以避免边界对吊机基座的影响。疲劳分析时，吊机基座网格采用t mm×t mm，其余部位采用粗网格划分^[15]。在远离吊机基座的端部进行固定约束。本文中上建结构模型及吊机基座结构模型如图1所示。

2.2 基本载荷及组合工况

吊机基座的基本参数如表2所示，吊机基座工作载荷主要为自重载荷、起升载荷、风载荷。起升载荷根据吊重乘以上述起升系数，并需要考虑由起升载荷引起的弯矩值，载荷作用在吊机基座顶部。风载荷可分为两部分：1）作用在吊机吊臂上的风载荷，通过等效的方式施加在吊机基座顶部，并考虑由其产生的扭矩值；2）作用在吊机基座上的风载荷；风载荷采用上述公式进行计算。吊机基座基本载荷工况如表3所示。

对基本载荷进行工况组合乘以作业系数，疲劳载荷作用下的组合工况系数如表4所示。以能承受50%的起升载荷及风载荷作为基本载荷，以每30°的基本载荷工况进行组合作为疲劳分析的组合工况。

3 分析结果

根据疲劳热点应力及结构布置选择了8个典型位置进行了疲劳损伤分析，如图2所示。根据热点应力所处位置不同选择对应的S-N曲线类型，如本文表6、表7中对应的C、E、F曲线均为空气中的S-N曲线。本文中吊机基座位于飞溅区上方且离平均海平面有一定距离不会发生砰击现象，因此对于吊机基座分析时，安全系数取1。

表5及表6为根据风向概率分布在风载荷作用下不同位置处的疲劳损伤值及基于起升载荷作用下不同位置处的疲劳损伤值，并对相同位置处的疲劳损伤值进行了叠加。计算结果表明，吊机基座最大疲劳损伤值为0.39，位于肘板的趾端。由各位置点的疲劳损伤值可得，在基座主体结构与肘板的交接处疲劳损伤值较大，因此在吊机基座初步设计时，应考虑对该部位的结构进行局部加强。同样通过对比不同位置处风载荷及起升载荷作用下的幅值及疲劳损伤值可知，起升载荷是吊机基座结构疲劳分析的主导载荷，同样风载荷在疲劳分析中也起着重要的作用，对吊机基座局部位置风载荷对吊机基座疲劳损伤的影响与起升载荷相当，甚至略高于起升载荷的影响。

表7为起升载荷与风载荷直接组合后的结构应力幅值，再根据应力幅值及对应的S-N曲线计算吊机基座不同位置处的疲劳损伤值。由计算结果可知，采用载荷组合工况法，吊机基座最大疲劳损伤值为0.68，同样位于肘板趾端位置。

图3为2种不同疲劳分析方法的结果对比。可知，相同位置处的疲劳损伤值，载荷组合工况法计算结果比叠加法结果较大。2种方法计算的不同位置疲劳损伤值的差值存在差异，通过对不同位置疲劳损伤值增长量统计，载荷组合工况法的疲劳损伤值整体较叠加法增加53.57%，疲劳损伤值最大增加88.4%，最小增加17.07%。载荷组合工况法计算结果较保守，因此可基于叠加法对吊机基座结构进行优化设计。

4 结　语

本文对某固定式海洋结构平台吊机基座，总结了一种基于风向概率分布下，吊机基座疲劳分析的叠加方法，并通过与载荷组合工况法计算结果进行对比分析，得出如下结论：

1）吊机基座结构疲劳分析中，起升载荷作为疲劳分析的重要载荷，对吊机基座的疲劳分析起主导作用；同样风载荷作为吊机基座的主要载荷之一，在吊机基座的疲劳分析中有着重要的作用，在吊机基座疲劳分析中不可忽略。

2）疲劳损伤最大值主要位于吊机基座与肘板的连接位置，在进行吊机基座的局部结构设计时，需对吊机基座的局部加强结构的疲劳强度重点关注。

3）直接采用载荷组合工况法计算的疲劳损伤值偏保守，可以采用基于风向概率分布与起升载荷分别计算的疲劳损伤值叠加的方法对吊机基座进行疲劳分析，同样可以基于该方法进行吊机基座及支撑结构的优化设计。