锚泊

深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计第八章系泊系统疲劳分析1基本概念1）疲劳：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或无安全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。2）T-N曲线：是疲劳寿命—应力幅值曲线。T是交变应力的应力幅值，N是在恒幅交变应力作用下结构破坏的应力循环次数，亦称为疲劳寿命。多数T-N曲线由疲劳试验求得。由于试验中存在不确定性因素，需要采用概率统计手段来处理试验结果。通过经验性调整，使不同构造分级彼此协调．建立起一组可供工程使用的T-N曲线。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计3）Miner-Palmgren规则：实际的海洋工程结构是在变化的应力幅值下工作的，现在多数采用Miner-Palmgren规则，使有变化的应力幅值问题也能用T-N曲线进行疲劳强度分析。Miner-Palmgren规则假定不同应力幅值循环引起的结构损伤相互间没有影响，且与其作用先后次序也无关。这样，如结构所受载荷可视为r个不同恒幅交变应力，则其总损伤量为各应力幅值作用下的损伤分量之和，即：∑∑====riiiriiNndD11深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计4）设计疲劳寿命1/D：应该大于等于平台在某一海域的服役寿命的3倍。如果系泊系统以前曾经用过，应将其以前的疲劳破坏予以考虑。疲劳分析所需的系泊线受力的应力范围，不能采用拟静态分析方法计算得到。应该采用时域动态分析和频域动态分析，以及模型试验分析结果都可以。5）疲劳测试试验：对于不同的系泊线组成部分的T-N曲线应该来自于其疲劳试验测试数据与分析。但是，由于以下原因，很多系泊材料的T-N曲线并不能完全准确。（1）试验测试数据有限；（2）缺乏低应力时的疲劳测试数据，但这常常是产生疲劳破坏的原因。（3）疲劳测试的环境条件与实际海域的环境条件有很大差距。（4）缺乏大量有代表性的测试样本。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计2疲劳寿命计算Tension-Tension(T-T)Fatigue在疲劳累积损伤计算中，需要知道系泊线应力范围和在该应力范围水平的单一循环载荷作用下结构达到疲劳破坏所需的循环次数即疲劳寿命之间的关系，一般是用由疲劳试验结果拟合得到的T-T曲线来反映，表示为：M,K：为疲劳实验得到的参数，N：失效时循环次数,R：张力范围（峰值与谷值之差）与系泊线极限强度(RBS)之比。对上式等号两边取对数，得KNRM=RMKNlglglg−=这就是常用的T-T曲线的双对数线性模型，在lgN—lgS坐标系中，它是一条直线。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计M和K的取值可按下表差得，其中Lm为平均载荷与系泊线极限强度的比值。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计由上图可见，无横档链比有横档链的疲劳寿命低。但是，无横档链不会发生以下问题：横档脱落，横档连接焊缝破裂，腐蚀破坏等不容易检测的疲劳问题。因此，通常要综合考虑影响系泊线疲劳寿命的各种因素，来确定系泊线材料的选则。3弯曲-应力疲劳Bending-Tension(B-T)对系泊线bending-tension疲劳评估的数据有限，不能形成设计曲线，因此，只能采取各种预防措施，以防止系泊线由于bending-tension引起的疲劳破坏。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计比如，导缆器与钢缆材料系泊线的直径之比(D/d)应该足够大以避免过度的弯曲变形，对于与导缆器接触部分的系泊线要有规律的进行定期检查，而且定期移动系泊线与导缆器直接接触的部位。以下是一工作于北海海域的半潜平台钢缆的弯曲变形疲劳寿命和应力疲劳寿命的比较，可以作为参考，以制定防止系泊线过度弯曲变形疲劳的防护措施。另外，对于chain材料的系泊线，与导缆器经常接触的地方容易产生应力集中，这将会导致永久疲劳破坏，因此一定要注意防护。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计4疲劳分析公式1）疲劳累计损伤系泊线的疲劳损伤是由于作用于其上的循环载荷累积引起的，也就是由一些列的环境状况引起的疲劳损伤。计算公式如下。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计环境状况i=1,…,n要足够多，才能保证总的疲劳损伤计算的正确性，需要计算在每一个风、浪、流环境条件下的系泊系统响应。并且确定每个环境状况发生的概率Pi，系泊系统疲劳寿命L的计算公式为:每年发生的累计疲劳损伤Di的计算公式为：M，K在前面已经定义，Ni为在环境条件i时每年系泊线应力变化的次数。E[RiM]：环境条件i时系泊线受力范围RiM的期望值。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计2）低频力和波频力引起的疲劳破坏的组合共有四种方法：a）简单的叠加：分别计算由低频力和波频力引起的疲劳破坏，总的疲劳破坏即为二者之和。计算公式如下：深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计b)系泊线低频力和波频力响应谱的组合：深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计c)对方法b）引入校正因子，环境条件i时的疲劳损伤为深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计d)时域循环计数法（cyclecountingmethod）：即沙漏法。通过对系泊系统的时域分析，得到系泊线受力的时历曲线，然后计算系泊线应力循环的次数和应力范围的期望值，再按前述疲劳累计损伤的方法计算系泊线的疲劳寿命。相对来说，该方法是计算系泊线疲劳寿命的最准确方法，但是也是最费时费力的。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计e)总结方法a）：适用于波频力响应的标准差与低频力响应的标准差的比值满足以下关系式的条件。但是，当波频力和低频力的贡献都很大的时候，方法a）计算的疲劳损伤会偏低。方法b）：该方法比较保守，通常会高估系泊线的疲劳损伤。方法c）：对方法b）进行改进，不是很保守了。当波频力和低频力的贡献都很大的时候，该方法更适合。但是当低频力占主要因素时，也会高估系泊线的疲劳损伤。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计5疲劳分析的详细过程1）确定系泊线可能遇到的一系列环境工况，每一个环境工况要包括风浪流的相关参数：速度，方向，波浪谱，有义波高等，以及该环境工况可能发生的概率。一般需要10~50个环境工况，但是，通常选择8~12个有代表性的环境工况进行系泊线疲劳分析。2）按照以前的系泊系统计算分析步骤，计算每个环境工况下系泊线的受力，包括相对于平均力的波频力和低频力。3）确定M和K的值。4）计算每种环境工况下由系泊线波频力和低频力引起的系泊线年疲劳损伤，5）对所有的环境工况，重复4）。然后叠加计算总的年疲劳损伤D和疲劳寿命L。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计6腐蚀破坏（CORROSIONANDWEAR）对于chain，防止其腐蚀破坏的方法通常是增加chain的直径。工业界常用的方法是：对于chain有凹凸不平的部位或者是海底部分起伏不定的部分，每服务年增加该部分chain的直径0.2mm~0.4mm，对于其它部分，直径每服务年增加0.1mm~0.2mm。系泊系统强度分析时，不需要考虑上述由于系泊线腐蚀破坏而增加的长度。系泊系统疲劳分析时，应该预先得到chain的直径与其服务年限的腐蚀率(corrosionrate)，那么可以计算出服役年限内防止腐蚀而增加的chain直径，则疲劳分析的直径即为chain的名义直径（nominaldiameter）减去其增加的直径。但是要注意：chain的腐蚀率通常是在chain服役的前几年较高。当chain的腐蚀率不能得到时，也要用比较保守的方法评估由于腐蚀破坏增加的直径，然后用以上方法进行疲劳计算。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计对于钢缆，其腐蚀破坏主要发生在系泊线与连接插孔（socket）连接的钢缆镀锌阳极保护部位，通常的办法是将系泊线与连接插孔电力绝缘，或者是在该区域增加牺牲阳极的保护措施。7疲劳分析案例对系泊系统采用频域动态分析方法。如下图的半潜平台系泊系统，系泊参数已经列出。1）环境条件：水深：1476feet，波浪谱：P-M谱。风速，流速（未给出），风浪流方向一致。共选择8个方向，间隔45°。计算步骤：（1）计算风浪流的平均载荷；（2）计算系泊线的波频力和低频力；（3）计算有代表性的系泊线每个方向下的疲劳寿命；（4）计算每根系泊线总的疲劳寿命。深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计2）疲劳计算低频力相对于波频力来说小得多，可以选择前述的方法a）计算系泊线的年疲劳损伤。以line3为例，当浪向225°时，经计算可得系泊线的年疲劳损伤为：深海工程技术研究中心DeepwaterEngineeringResearchCenterderc.hrbeu.edu.cn锚泊系统分析与设计作用于line3上各个方向总的年疲劳损伤为：选择安全系数为