用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，包括步驟：1）獲取海況資料；2）對海況資料進(jìn)行處理；3）計算每個單方向下每一種海況所對應(yīng)的波浪譜；4）得到每個單方向下每種海況的單一規(guī)則波波高及其波周期的概率分布；5）計算單一規(guī)則波的波浪數(shù)量；6）累加相同單一規(guī)則波波高及波周期的單一規(guī)則波的波浪數(shù)量，得到單一規(guī)則波波高、波周期及波浪數(shù)量的分布直方圖；7）根據(jù)同一波周期下的所有單一規(guī)則波波高與波浪數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系，將單一規(guī)則波浪數(shù)量以百分比的形式表達(dá)，選擇超過百分比，確定波周期下的基本波波高。本發(fā)明計算結(jié)果不受海洋波高與波浪力之間非線性關(guān)系的影響，保證了頻譜疲勞分析計算的準(zhǔn)確性。
【專利說明】用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種頻譜疲勞分析法，特別是涉及一種用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋平臺結(jié)構(gòu)是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。海洋平臺作為海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施所處的環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，承受著多種隨時間和空間變化的載荷，這些載荷的作用是長期、連續(xù)和隨機的。持續(xù)的循環(huán)海洋波浪載荷可能導(dǎo)致導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞，從而降低系統(tǒng)的可靠度，給生產(chǎn)、生活帶來諸多不利的影響。因此，對海洋平臺結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行有意義的分析尤其重要。
[0003]在海洋導(dǎo)管架平臺設(shè)計中，頻譜疲勞分析法是目前國際上海洋導(dǎo)管架平臺設(shè)計中普遍采用的設(shè)計分析方法。這種方法既能較充分地考慮海洋波浪條件的隨機性又具有數(shù)字計算分析方面的有效性。頻譜疲勞分析法的步驟如下:
[0004](I)根據(jù)海洋平臺的特征建立結(jié)構(gòu)模型。其樁基可以用線彈性模擬。
[0005](2)對于建立的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動力分析，計算所選階數(shù)的自振頻率和相應(yīng)振型。
[0006](3)選定一定數(shù)量的不同周期的波周期，根據(jù)波高與波長之比的梯度計算相應(yīng)的波高，從而得到一組基本波。
[0007](4)根據(jù)選定的基本波計算波浪力。
[0008](5)將計算得到的波浪力施加到結(jié)構(gòu)模型上，并利用所獲得的自振頻率和振型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動力分析，求得動力響應(yīng)的桿端力和力矩。
[0009](6)計算適當(dāng)?shù)膽?yīng)力集中因子，進(jìn)而求得節(jié)點上指定熱點的相應(yīng)應(yīng)力值。應(yīng)用所求得應(yīng)力值建立波浪譜和應(yīng)力譜之間的傳遞函數(shù)。
[0010](7)根據(jù)收集到的海況數(shù)據(jù)，計算一系列的波浪譜。
[0011](8)根據(jù)波浪譜和傳遞函數(shù)，計算節(jié)點應(yīng)力譜。
[0012](9)最后由節(jié)點應(yīng)力譜計算海洋平臺的累積疲勞破壞和壽命。
[0013]從上述頻譜疲勞分析的步驟中可以看到，頻譜疲勞分析法的要點在于，用不同的周期和相應(yīng)的波高組成的若干單一規(guī)則基本波來確定結(jié)構(gòu)響應(yīng)的傳遞函數(shù)。然后，傳遞函數(shù)乘以相應(yīng)海況的波浪譜來計算相應(yīng)的節(jié)點應(yīng)力譜，從而計算出疲勞壽命。由于頻譜理論建立在線性系統(tǒng)基礎(chǔ)上，如果波高和波浪力的關(guān)系是非線性的，那么傳遞函數(shù)的準(zhǔn)確性就完全依賴于對基本波的波高和周期的準(zhǔn)確選擇上。當(dāng)非線性響應(yīng)變得非常嚴(yán)重，或者不能用確定性的方法來解決海浪的隨機性，那么為了保證疲勞壽命的計算結(jié)果的合理性，安全性，準(zhǔn)確性，必須用更精確的方法來選擇基本波。
[0014]淺海海洋導(dǎo)管架平臺通常都會受到大量的因波浪隨機性而產(chǎn)生的隨機波浪力的沖擊。理論上，頻譜疲勞分析法并不太適合這種海況下的導(dǎo)管架平臺疲勞分析。原因之一是這種系統(tǒng)的波高和波浪力之間并非是簡單的線性關(guān)系，另一個原因是目前缺乏合適的確定性的方法來建立準(zhǔn)確的傳遞函數(shù)。[0015]根據(jù)頻譜疲勞分析的步驟過程，需要選取基本波來確定波浪力。圖1顯示為波高與波浪力之間線性化和實際關(guān)系曲線，如圖1所示，圖中實線表示波高和波浪力的實際關(guān)系，波高和波浪力之間并非是簡單的線性化關(guān)系，而在目前的導(dǎo)管架設(shè)計中，疲勞分析一般采取將波高和波浪力的關(guān)系線性化成一條直線(圖1中的虛線和點劃線，虛線表示波高與波長比值取1/7，點劃線表示波高與波長比值取1/30)近似代替實際的非線性關(guān)系，因此造成了很大的計算誤差。
[0016]在近似過程中，波高與波長的比值稱為梯度Ste印ness，表達(dá)式如式I所示:
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于，包括步驟: 1)獲取所述導(dǎo)管架平臺所在海域的海況資料，所述海況資料包括所述海域一年中各個方向的有意義波高Hs與平均跨零周期Tz的聯(lián)合概率分布； 2)對所述步驟1)獲得的海況資料進(jìn)行處理，對每個單方向的有意義波高Hs、平均跨零周期Tz分別取中間值，獲得m個離散的所述有意義波高Hs和η個離散的所述平均跨零周期Tzq,其中(1≤ r ≤ m), (1 ≤q ≤η);每個所述有意義波高Hs1?和平均跨零周期Tzq對應(yīng)于一種海況，所述海況資料中每個單方向下每一種海況的有意義波高Hs與平均跨零周期Tzq對應(yīng)一個聯(lián)合概率分布P。； 3)根據(jù)每個單方向下每一種海況的有意義波高Hs與平均跨零周期計算所述每個單方向下每一種海況所對應(yīng)的波浪譜Sn n (f)r；q, f為波浪頻率，0〈f〈 °ο ； 4)對單一規(guī)則波波高H及其波周期T分別進(jìn)行等間隔劃分，根據(jù)計算精度選取單一規(guī)則波波高H的波高間隔Λ H和波周期T的周期間隔AT，i = Hmax/Δ H, j = Tmax/AT，其中，Hfflax和Tmax分別為所述導(dǎo)管架平臺所在海域的百年一遇最大波高和最大波周期；根據(jù)所述步驟I)中獲取的所述導(dǎo)管架平臺所在海域的海況資料、所述步驟2)中測得的所述海況資料中每個單方向下每一種海況下的有意義波高與平均跨零周期對應(yīng)的聯(lián)合概率分布Pr，,、所述步驟3)獲得的波浪譜S11 n (f)r，<!，利用1nguet-Higgins單一規(guī)則波波高和波周期聯(lián)合概率分布理論得到每個單方向下每一種海況的單一規(guī)則波波高H及其波周期T的概率分布P (H，T) U，其中(1≤r≤m)，(1≤q≤n)，P (H，T) “均為iXj的矩陣； 5)計算每個單方向下每一種海況在一年內(nèi)的波浪數(shù)量(Nt)M,與所述步驟4)結(jié)合得到每個單方向下每一種海況在一年內(nèi)單一規(guī)則波的波浪數(shù)量(Nt) μXP (H，Τ) μ ； 6)累加每個單方向下每一種海況在一年內(nèi)相同單一規(guī)則波波高Hu及相同波周期Tv的
單一規(guī)則波的波浪數(shù)量
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:所述步驟3)中采用J0NSWAP譜計算每個單方向下每一種海況所對應(yīng)的波浪譜Sn n (f)μ，表達(dá)式為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:根據(jù)每個單方向下每一種海況對應(yīng)的所述波浪譜Sn n (f)q得到各階譜譜距
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:所述步驟5)中每個單方向下每一種海況在一年內(nèi)的波浪數(shù)量的表達(dá)式為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:所述步驟7)中，將同一波周期?。幌赂鲉我灰?guī)則波波高(Hh)7丨.(K ?Si)與波浪數(shù)量(ivIiw )?；的對應(yīng)關(guān)系擬合成相同波周期單一規(guī)則波波浪數(shù)量曲線，橫坐標(biāo)為各單一規(guī)則波波高，所述相同波周期單一規(guī)則波波浪總數(shù)為所述相同波周期單一規(guī)則波波浪數(shù)量曲線與所述橫坐標(biāo)之間的總面積(Szz1M)7;;計算所述橫坐標(biāo)上單一規(guī)則波波高到數(shù)值最高的單一規(guī)則波波高(#/?所對應(yīng)的相同波周期單一規(guī)則波波浪數(shù)量曲線下的面積(*^/4、//; )?；，其中(I ^ k ^ 1-Ι),選取(? )7;時，k從1-Ι開始取值，依次取為i~2,i_3......，直到)j;與所述(S//r//, )j;的比值〃廣/Zi )r(./ (SfIpfi1、τ'.等于所選擇的所述超過百分比時，即可確定此時對應(yīng)的單一規(guī)則波波高(#07；即為該波周期1；下的基本波波高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:在所述步驟7)中，累加所述波周期1；下所有單一規(guī)則波波高(A/)" (ISllSi)對應(yīng)的所有波浪數(shù)量(~入，得到的相同波周期單-規(guī)臟波浪總數(shù)
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:步驟2)中所有單方向的每一種海況下的有意義波高Hs與平均跨零周期Tzq對應(yīng)的聯(lián)合概率分布P,，，值相加等于100。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:所述步驟4)中單一規(guī)則波波高H的波高間隔ΛΗ為0.1米，波周期T的周期間隔AT為0.1秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:所述超過百分比為0.5%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于導(dǎo)管架平臺頻譜疲勞分析的基本波確定方法，其特征在于:根據(jù)所述步驟7)中確定的基本波周期Tv和對應(yīng)的基本波波高可得到
【文檔編號】G06F19/00GK104021288SQ201410244405
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】馮勤, 錢亞林, 陳尚周, 張文學(xué) 申請人:中國石油化工集團(tuán)公司, 中國石化集團(tuán)上海海洋石油局工程院