基于SACS的重力式潮流能发电装置试验平台波流荷载下疲劳分析

宋雨泽 ，王项南 ，王 鑫 ，金 鑫 ，路 宽 ，韩林生 ，杨 宁

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津海油工程技术有限公司，天津 300100）

基于SACS的重力式潮流能发电装置试验平台波流荷载下疲劳分析

宋雨泽1，王项南1，王 鑫1，金 鑫2，路 宽1，韩林生1，杨 宁1

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津海油工程技术有限公司，天津 300100）

管节点是重力式海洋平台结构关键却薄弱的构件，海洋平台的失事很多也是由于构件疲劳造成的，因此对管节点进行合理的疲劳分析，可以有效地减少管节点的应力集中，增加节点疲劳寿命。以重力式潮流能发电装置试验海洋平台为例，采用三维SACS软件建立平台结构模型，依据现有设计资料，应用SACS软件对平台进行基于线弹性响应的静态加载条件下结构分析，并计算相应节点应力，根据S-N曲线计算在各种工况下平台的管节点的疲劳损伤，其目的是为重力式可升降海洋平台设计建造以及疲劳分析提供一些有益的参考。

重力式；潮流能发电装置；海洋平台；SACS；疲劳分析

重力式平台结构是在我国海上平台中应用比较广泛的一种平台结构，该平台结构是靠平台自身重量稳坐在海底坚实土层之上。平台的底部是一个或多个钢筋混凝土沉箱组成的基座，基座上有钢立柱或钢筋混凝土立柱支撑上部甲板。重力式平台在海洋环境中长期工作，由于受到波浪荷载、工作荷载、自重、碰位荷载、风荷载及冰荷载等多种荷载作用，引起结构应力循环变化，而产生结构的疲劳损伤。平台结构是由管件构成的，在节点处产生严重的应力集中，使疲劳问题更加突出。为此，本文以拥有良好应用前景的海洋可再生能源试验平台-潮流能发电装置试验平台在黄渤海区某海域环境条件下为例，通过SACS软件进行疲劳分析，为进行平台工程设计相关疲劳计算应用提供一些有益的参考。

图1 重力式可升降式平台

1 平台结构

重力式可升降式平台，上部是钢结构升降式平台，下部为混凝土沉箱基础。设计水深为22 m，设计寿命为25 a。总体重量约为860 t，上部结构平台总共为一层，总体标高为水平面上14 m，甲板面积大约为450 m2，下部结构为两根12 m高的立柱，底部固定到底座上，用于支持上部平台结构和升降平台。整个平台组成如图（1）所示。

2 平台模型

图2 计算模型

图3 计算模型选取疲劳点

采用专业用于海洋工程有限元计算的软件SACS，加载海洋平台静力分析软件包和基本动力疲劳软件分析包进行建模并进行结构模拟计算。SACS软件中包含三维图形交互式建模，有限元求解器以及图形交互后处理程序。整体在位分析模型包括维修平台、升降平台、立柱三部分。疲劳分析应予以考虑在波浪力荷载作用下的结构疲劳强度，整体计算模型见图2，平台立柱及升降平台与混凝土底座约束见图3所示。

3 基本荷载

波浪条件应是长期内预期出现的全部海况的集合，为了结构分析的目的，这种集合为波浪能量谱和具有出现概率的物理参数来表达的代表性海况。疲劳分析中所加载的基本荷载为波浪荷载，波浪力计算采用Morison方程结合SACS软件电算方法。计算波浪作用在圆柱形体上的力取决于波长与杆件直径的比值。当比值较大（＞5）时，则杆件不会明显改变入射波浪，波浪力可按式（1）作为拖拽力和惯性力的和来计算：

式中：F为垂直于构件轴线单位长度上的水动力矢量；FD为垂直作用于构件轴线并在构件轴线和速度U平面内单位长度上拖拽力矢量；FI为垂直作用于构件轴线和平面内的单位长度的惯性力矢量；Cd为拖拽力系数，对典型设计情况，计算平台的总波力时非遮蔽圆柱形构件可取0.65；w为水的重度；g为重力加速度；A为垂直于圆杆轴线单位长度上的投影面积；V为圆杆单位长度上的面积（即直径为D的圆杆面积）；D为圆形杆件有效直径；U为垂直于杆件轴线的水流（由波浪引起的）；Cm为惯性力系数，取1.6；为垂直于构件轴线的水流局部加速度矢量分量。该Morison方程，在计算惯性力时忽略了对流的加速度分量，同时也忽略了升力、冲击力和轴向的Froude-Krylov力。根据该海域区域海洋环境波浪数据，采用1 a一遇最大值作为操作工况下的环境荷载取值，采用100 a一遇的最大值作为极端工况下的环境荷载取值。 结合 SACS 软件采用 NE（ENE）、E（ESE）、SE（SSE）和S四个方位的年极值序列进行波浪重现期推算，见表1，其中L011点流速是最坏，极限工况表层、中层、底层以2.5 m/s推算。

部分有代表性的在位分析基本荷载如表2。

表1 平台点各方向不同重现期最大波高/m、有效周期/s

4 疲劳分析

在管连接的设计中，应考虑与局部循环应力有关的疲劳问题，对于承受环境荷载或操作引起的交变应力的管连接，应采用图4所示S-N曲线。该曲线适用于随机荷载并假定具有有效的阴极保护。应用SACS软件对平台进行基于线弹性响应的静态加载条件下结构分析，计算在上述各种工况下的节点L011和L012点的最大应力幅。

表2 基本荷载

图4 疲劳S-N曲线

图4中曲线可以表示为：

式中：N为循环应力次数范围Δσ和表3所列Δσref商的-m次方。

表3 Δσref和m时的容许循环次数

图5 SACS结构建模

图6 波浪力疲劳分析

依据前表给出的波浪和海流参数的工况，可以计算出每个波浪荷载作用下平台的疲劳应力，平台节点L011及L012节点的最大应力幅和最大弯矩幅、节点L011和L012使用疲劳寿命以及极限疲劳寿命如表4，根据疲劳S-N曲线法验算平台在服役期（25 a）远小于表3中疲劳极限值。

表4 节点最大应力幅及疲劳寿命计算结果

5 结语

重力式潮流能发电装置试验海洋平台在海洋环境中长期工作，由于受到各种荷载作用，引起结构应力循环变化，使疲劳问题更加突出。因此需在平台设计过程中进行平台疲劳分析计算，本文针对拥有良好应用前景的重力式潮流能发电装置试验海洋平台设计中疲劳分析，采用SACS软件电算法结合S-N曲线法，分析重力式海洋平台疲劳寿命年限，从工程实际出发，为进行重力式海洋平台工程设计中疲劳计算应用提供一些有益的参考。

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[2]国家发展和改革委员会.14905-2004.海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法、工作应力设计法[S].2004-07-03.

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[4]龙驭球.结构力学[M].北京：高等教育出版社,1999.

[5]李明，陶正梁，姚海田.基于ANSYS的平台波流载荷下动力分析及疲劳分析[J].石油钻探技术，2005，33（3）：45-48.

Fatigue Analysis for the Gravity Tidal Current Energy Generation Device Test Platform under the Wave and Current Forces Based on SACS

SONG Yu-ze1,WANG Xiang-nan1,WANG Xin1,JIN Xin2,LU Kuan1,HAN LIN-sheng1,YANG Ning1
(1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.Petro-Offshore Engineering,Tianjin 300100,China)

The tubular joints are the most important and the weakest component of ocean platform.It has been found that tubular joints fatigue cracks are a dominating type of damage in ocean platform.So it is evident to study tubular joins fatigue behaviors to reduce stress concentration and improve fatigue lifetimes.Taking the gravity tidal current energy generation device test platform as an example,the construction of the model was built using SACS.Basing on the information

,the SACS software was applied to analyze the platform structure analysis based on linear elastic response under static loading conditions and to calculate the corresponding node stress.The fatigue damage of the component was calculated by S-N curve.The purpose is to provide some reference for building gravity tidal current energy generation device test platform and analysis of the fatigue for platform.

gravity;tidal current energy generation device;offshore platform;SACS;fatigue analysis

P75

A

1003-2029（2012）04-0071-04

2012-07-13

波浪能、潮流能海上试验与测试场建设论证及工程设计（GHME2010ZC10）

宋雨泽（1986-），男，本科，助理工程师，主要研究方向为结构工程。Email：songyuze2008@live.com