基于临界面能量法的平台结构疲劳寿命分析

郑凯元

中国海洋大学

摘要：

在近海海域海洋油气开采主要采用导管式平台形式，此类结构主要设计依据是波浪载荷，在波浪载荷和海流载荷作用下，桩腿会受到日积月累的微观损伤从而造成疲劳破坏。疲劳破坏成为海洋平台结构失效的主要形式之一，因此，在海洋环境下的疲劳理论研究以及对海洋平台主要构件的疲劳寿命预测十分重要。海洋平台结构疲劳问题一直是海洋工程中的研究热点和难点，其中高周疲劳、多轴疲劳以及变幅载荷、材料非线性特征等多种问题相互关联，以至于多年来相关疲劳理论进展缓慢。　　本文基于临界面方法，建立一种应用于海洋平台在多轴变幅载荷下高周疲劳预测模型，用于分析平台结构关键节点疲劳寿命。利用ANSYS对同材料的构件施加不同应力幅的交变载荷得到危险点的应变能密度，得到相应的应变能密度和应力幅之间关系曲线，该曲线只取决于材料本构特性，与结构和载荷形式无关；在波浪载荷和海流载荷作用下对平台主要构件——桩腿进行动力分析，对危险点的应力应变张量进行坐标变换，以确定临界平面位置；以临界面上的塑性应变能密度为疲劳损伤参量，将单次循环应力等效为对称循环应力，根据S-N曲线得到各个循环应力所产生的损伤；采用Miner损伤积累理论，将时程内各循环所产生的损伤进行累积，得到平台桩腿的高周疲劳寿命。与Workbench疲劳寿命数值模拟和极值计数法比较，临界面能量等效法的偏差分别为29.2％和17.5%。　　基于临界面能量法建立高周疲劳分析模型，以能量为疲劳损伤的参量，以临界面作为裂纹扩展的依据，采用较少的待定参量，克服传统能量法作为标量难以描述裂纹扩展方向的缺点。建立的模型参量具有明确的物理意义，并且以能量为媒介，将复杂的循环载荷等效为对称循环载荷以计算各循环载荷所造成的损伤，使其更适用于海洋平台的多轴高周疲劳寿命分析，研究具有理论意义和工程价值。

关键词：海洋油气开采;导管式平台;疲劳寿命;临界面能量法;数值模拟

授予单位：中国海洋大学

授予学位：硕士

学科专业：机械工程

导师姓名：陆建辉

学位年度：2013

语种：中文

分类号：TE952

页数：69

在线出版日期：2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）