冰激自升式海洋平台疲劳寿命分析

李晓晓， 张大勇， 岳前进， 刘　笛

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221)



冰激自升式海洋平台疲劳寿命分析

李晓晓1， 张大勇2， 岳前进2， 刘笛1

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221)

摘要：自升式平台属于典型的柔性结构，在海冰作用下容易发生冰激振动现象，冰振不仅能够产生较大的平台加速度，引起平台工作人员不适，而且会产生结构的疲劳破坏，因此，寒区自升式海洋平台的冰激疲劳寿命分析非常必要。基于开展的冰与带齿条结构的模型试验，该文首先明确了冰与自升式平台桩腿结构的相互作用形式；其次，提出自升式平台冰振疲劳寿命分析流程；最后，以渤海某典型自升式平台为例，利用ANSYS软件进行冰激疲劳寿命分析。该文的研究对于寒区自升式平台的设计及安全运行具有一定的指导意义。

关键词：自升式平台；疲劳分析；数值模拟；抗冰平台

0引言

自升式平台是勘探、开发海上石油资源的重要装备之一，在极地与亚极区有着广泛的使用前景。自升式平台的结构组成包括若干个桩腿和一个主体平台，通过升降装置的作用，完成桩腿和平台的升降过程。桩腿除了能够支撑平台的重量外，还必须承受海洋环境中各种力的作用。自升式平台结构多种多样，按照桩腿的型式可以分为壳体式平台和桁架式平台两种[1]。壳体式平台桩腿的结构简单，制造方便，主要适用于水深不超过60 m～70 m的海域；桁架式平台桩腿制作复杂，但是能够减少作用在桩腿上的波浪力，主要适用于较大水深的海域。可见，壳体式桩腿的自升式平台是适合极地和我国渤海冰区的结构形式。壳体式桩腿由钢板焊接成封闭的结构，在水线位置不是简单的圆柱或斜面形状，其两侧带有齿条。此外，自升式平台与一般的导管架平台存在差别，自升式平台基础浅，上部质量大，且桩腿之间没有撑杆连接，较导管架平台柔度大。

自升式平台在复杂的海洋环境中会承受风、浪、流、地震和海冰等作用[2]，目前的大多数文献中仅仅考虑风、浪和流环境荷载，而海冰荷载没有过多关注[3]。在我国渤海及全球高纬度的结冰海域，海冰是主要的控制荷载，冰荷载作用在自升式平台桩腿上发生的破坏形式比圆柱结构要复杂得多。此外，海冰与自升式平台相互作用的过程中，如果破碎产生的固有周期与平台的周期接近，即可发生冰激振动现象。冰振不仅会产生较大的位移和加速度，严重的冰振还会引起工作人员的不适以及平台的疲劳破坏，因此，进行冰区自升式平台的疲劳分析是有必要的[4]。波浪条件下的平台疲劳分析已经较为成熟，但是关于冰区结构的疲劳寿命分析的工作较少。API-RP-2N[5]也提出，必要时应对冰区结构进行疲劳寿命分析，但没有提出具体的分析方法，原因是动冰力模型与冰疲劳环境参数的研究尚不成熟[6]。方华灿等[7]进行了低温随机冰载作用下疲劳裂纹扩展试验，并根据实验结果提出了疲劳寿命曲线及其参数，提供了管节点疲劳寿命分析的新方法。岳前进等[8]基于对现场冰区平台的监测结果提出建立锥体冰荷载和冰疲劳参数的方法。这些研究为冰区平台冰激疲劳分析奠定了良好的基础。

自升式平台属于柔性抗冰结构，尽管国内外针对冰与直立和锥体柔性抗冰结构的相互作用进行了广泛研究，但目前自升式平台还没有大规模在冰区应用，我国渤海也只是在冰情较弱的海域或季节使用，无法获得准确的现场监测信息，模型试验成为比较准确的研究手段。该文基于开展的冰与齿轮齿条相互作用的模型试验为基础，进行以下几个方面的工作：(1) 明确海冰与带齿条桩腿的相互作用；(2) 建立冰激自升式平台疲劳寿命分析流程；(3) 以渤海某典型自升式平台为例，利用ANSYS软件建立模型并进行自升式平台的冰振疲劳寿命分析。

1海冰与自升式平台桩腿的相互作用

1.1海冰与带齿条结构的模型实验

图1所示为大连理工大学自升式平台冰荷载模型实验系统。自升式平台桩腿是带齿轮齿条结构，在水平面处并不是简单的圆柱或斜面形状，所以冰作用在此类结构上发生的破坏不是简单的挤压或者弯曲破坏。该文提到的实验模型是以真实的自升式平台为原型，采用几何相似比λ=16进行研究。

图1　冰荷载模型实验系统

该实验选定了四种工况：(1)无齿条光滑圆柱；(2)齿条方向平行于来冰方向；(3)齿条方向与来冰方向成45 °角；(4) 齿条方向垂直于来冰方向。三种冰速0.5 mm/s，20 mm/s和40 mm/s下分别开展最大静冰力和最大动冰力的研究。冰速0.5 mm/s下模拟准静态冰力，结果如图2所示，冰速20 mm/s和40 mm/s下模拟动冰力结构振动，结果如图3、图4所示。经分析可知，四种工况下极值静冰力大小虽不同但差距并不明显。通过以上实验及数据可以得出以下结论：(1) 齿条的存在并没有使极值静冰力大小发生显著的改变，这是由于齿条的宽度与桩腿直径相比较小，没有从根本上改变冰的破碎模式；(2) 带齿条的桩腿结构同样会发生强烈的冰激振动，原因在于齿条的尺寸远小于压头直径，因而齿条的存在无法改变冰板的挤压破坏模式。由以上实验结论可知，自升式平台桩腿与冰的相互作用可以参考常见的导管架平台(直立结构)与冰的相互作用。

图2　四种工况下极值静冰力的比较

图3　中等冰速下冰振响应　　　　　　　　　　　　　　　　图4　快冰速下冰振响应

根据多年监测的结果发现，冰与直立结构相互作用挤压占主导地位。冰挤压破碎形式主要分为三种：准静态冰力、稳态冰力和随机冰力[8]。三种破碎形式中，准静态冰力出现频率不高，而且对结构造成的影响较小，所以在分析时可忽略不计；稳态振动冰力虽然出现概率也不高，但是对结构影响较大，分析过程中应当考虑；随机振动冰力冰况出现概率最大，应当充分考虑。

图5　稳态冰力模型

1.2稳态振动冰力

当冰速2 cm/s

Kärnä(2007)根据渤海实测的自激振动冰力时程，给出了简化的三角波时域函数，表征产生自激振动的冰力随时间的变化特征[10]，如图5所示。

Fmax是冰力最大值，可根据式(1)计算极值静冰力：

(1)

式中：α为系数，根据窄体结构静冰力现场和室内研究成果，取0.7；σc为海冰的单轴压缩强度，采用现场试验结果，取2.0 MPa；h为冰厚，m；D为冰与结构接触宽度，即桩腿直径，m；ΔF=qFmax，q=0.1～0.5；Fmax为冰力平均值，可通过Fmax-ΔF/2计算；T为冰力周期，计算中可近似取为结构固有周期；α为加载阶段系数，通常选取0.6～0.9，该文取0.7。

1.3随机振动冰力

当冰速较快时，冰与结构相互作用，受挤压破坏成不规则的块状，由此对结构形成的合力也是不规则的，同时，结构会产生随机的振动。由于随机振动出现的概率较大，在疲劳分析中，应给予充分的考虑。

Kärnä和Qu根据渤海和波斯尼亚湾灯塔上测得的大量样本的随机冰荷载数据，经过统计分析建立了随机冰力谱[11]：

(2)

2自升式平台疲劳分析流程

2.1自升式平台冰激疲劳分析方法

目前疲劳设计方法主要有以下四种：耐久性设计、无限寿命设计、损伤容限设计和安全寿命设计[12]。疲劳问题是非常复杂的，单纯的一种分析方法不能够解决所有问题，所以以上四种方法都是不可或缺的。不同的结构、不同的情况应该具体分析，选取合适的疲劳分析方法。对于海洋结构来说，安全寿命分析方法应用比较多，适应于新建的海洋结构的疲劳分析。鉴于以上原因，该文选取的方法为安全寿命分析方法。安全寿命分析方法的依据包括Miner理论和材料的S-N曲线。

疲劳应力分析中疲劳损伤及寿命的计算方法主要有时间域法和谱方法[13]。对于稳态振动，根据Kärnä(2007)给出的简化三角波时域函数，采用时间域法进行分析；对于随机强迫振动，结合Kärnä和Qu(2007)建立的随机冰力谱函数，采用谱分析法分析。

2.2自升式平台冰振疲劳寿命分析过程

(1) 建立结构力学模型

利用ANSYS软件根据结构原型的尺寸等几何性质建立三维模型并保证模型和结构的刚度、频率、阻尼及质量等相似，保证模型的准确性。

(2) 建立冰疲劳环境模型

根据冰荷载的冰速和冰厚进行冰况的划分，并且根据公式计算各个冰况出现的频率。

(3) 确定冰荷载模型

对于稳态振动的冰力模型如图3所示，并结合公式1进行计算，随机振动冰力谱模型根据公式2进行计算。

(4) 结构动力分析

分别利用时间域法和谱分析法对模型进行分析，得到稳态振动和随机振动下的应力。

(5) 估算每一冰况应力循环数

应力循环数由式(3)计算所得：

(3)

式中：Plcj为j工况冰情出现概率；d为冰期，天； f为结构的自振频率，Hz。

(6) 疲劳寿命估算

利用Miner理论估算危险节点的疲劳损伤。

3实例分析

图6　平台有限元模型

图7　combin14单元模拟桩土模型图

以某自升式平台为例，该平台是四桩腿结构，固定荷载2 900 t，可变荷载1 000 t。利用ANSYS软件建立有限元模型，上部质量用质量单元mass21模拟，结构的其他单元全部用shell181模拟，桩土的相互作用采用文克勒模型简化处理，将土壤的作用采用弹簧单元combin14模拟，并将桩靴简化成圆柱型以便弹簧单元的施加。建立的有限元模型如图6所示，弹簧模型如图7所示，模态分析计算得到的结构频率见表1。

表1　平台固有频率

3.1冰疲劳环境模型

冰疲劳环境参数主要包括冰厚、冰速、冰弯曲强度、冰期以及冰流向。建立的冰疲劳环境模型主要包括以上五个参数的长期概率分布，因此必须获得较长年限的冰情资料。目前，获得冰情资料的方法主要有数值模拟、资料推算和现场观测等。岳前进、刘圆等人对JZ20-2海域进行了长期的观测，并累积了多年的观测数据。根据1996年～2003年的冰情等级和有效冰期以及1960年～2004年中各种冰情出现的频率数据，得出JZ20-2海域44年一遇的有效冰期为42天。季顺迎等[14]对渤海辽东湾JZ20-2海域1996年～2000年的海冰观测和数值模拟的数据进行分析，分别给出了冰厚和冰速的概率分布，冰厚的概率密度为：

(4)

冰速的概率密度为

(5)

由式(4)、式(5)可得冰厚和冰速的联合概率分布，结果见表2。

表2　疲劳冰况出现的概率

3.2热点应力计算

根据式1、式2，可以确定每种冰况的冰力模型，各种冰况的稳态冰力幅值见表3，直立结构冰力自功率谱如图8所示。利用ANSYS对有限元模型进行计算，得到的热点位于平台底部与桩腿的交界处，如图9所示，得到的稳态振动和随机振动下热点应力分别见表4、表5。

表3　各冰况下稳态冰力幅值

表4　稳态振动时结构热点处的应力

图8　直立结构随机冰力谱形式　　(冰速0.2m/s，冰厚0.12m)

图9　热点位置

应力标准差/MPa冰厚度/cm612182430冰速度/(cm/s)101842.554.171.290.12018.837.666.475.193.93018.937.956.875.794.74018.937.856.675.594.45018.737.666.475.193.96018.937.956.875.794.77018.937.856.675.594.48018.737.666.475.193.99018.937.956.875.794.710018.937.856.675.594.4

3.3热点疲劳损伤及寿命计算

通过估算每种冰况下的应力循环次数，然后利用Miner理论估算危险结点总的疲劳损伤，从而计算出该自升式平台结构的疲劳寿命。表6、表7分别说明了稳态振动、随机振动下对应工况的疲劳损伤。通过计算得知，稳态振动引起的疲劳总损伤为0.001 218 141/年，随机振动引起的疲劳总损伤为0.001 572 164/年，稳态振动的疲劳损伤占总损伤的44%，随机振动疲劳损伤占总损伤的56%。由此可见，稳态振动和随机振动对自升式平台的疲劳损伤的危害相差不大，均为主要因素，不容忽视。

表6　稳态振动时管节点热点疲劳损伤

表7　随机振动时管节点热点疲劳损伤

以上分析可知，该自升式平台在各种冰况下的总疲劳损伤为0.002 790 305/年，平台的冰振疲劳寿命为358年。对于海洋工程结构，设计疲劳寿命至少为使用寿命的2倍，对于平台主体结构的疲劳分析，选取安全系数为7(API规范推荐)，则该自升式海洋平台的疲劳寿命为51年。

CCS[15]和ABS[16]船级社规范要求中规定，疲劳寿命不得低于20年，所以该自升式平台满足规范要求。

4结论

通过海冰与带齿条结构的模型试验得到以下结论：齿条的存在并没有使极值静冰力大小发生显著的改变，带齿条的桩腿结构同样会发生强烈的冰激振动，齿条的存在无法改变冰板的挤压破坏模式。因此，自升式平台桩腿与冰的相互作用可以参考常见的导管架平台(直立结构)与冰的相互作用，疲劳寿命分析过程中主要考虑中冰速下的稳态振动冰力和快冰速下的随机振动冰力。

应用安全寿命法对自升式平台进行疲劳寿命分析，稳态振动采用时间域法分析，随机强迫振动采用谱分析法分析。基于该文提出的冰激结构疲劳寿命计算流程对渤海某典型自升式平台为例进行分析，得到的疲劳寿命满足规范要求。

自升式平台适应于我国渤海以及全球极区，冰荷载会产生冰激振动，造成疲劳损伤，类比于导管架平台的抗冰设计理念，可以加装抗冰锥体，通过对导管架平台的实测数据分析显示锥体有着明显的抗冰效果。此外，还有端部隔振、隔振锥体和质量阻尼器等减振措施。

参考文献

[ 1 ]孙东昌，潘斌.海洋自升式平台设计与研究[M].上海：上海交通大学出版社，2008.

[ 2 ]许津豪.自升式平台桩腿动力响应及疲劳分析研究[D].广东：华南理工大学，2014.

[ 3 ]樊佳.基于设计波法的舰船整船有限元强度分析[D].武汉：华中科技大学，2011.

[ 4 ]岳前进，刘圆，屈衍，等.抗冰平台的冰振疲劳分析[J].工程力学，2007,24(6):159-164.

[ 5 ]API. Recommended practice for planning, designing and constructing fixed offshore structures in ice environments (API RP2N). 1st Edition[S]. 1990.

[ 6 ]刘圆,岳前进,屈衍,等. 抗冰导管架平台冰激疲劳寿命估计[J].海洋工程，2006,24(4):15-19.

[ 7 ]方华灿,许发彦,陈国明. 冰区海上平台管节点疲劳寿命计算的新方法[J]. 中国海洋平台, 1997, 12(6): 259-263.

[ 8 ]岳前进，杜小振，毕祥军.冰与柔性结构作用挤压破坏形成的动荷载[J].工程力学，2004,21(1)：202-208.

[ 9 ]岳前进,郭峰玮.冰致自激振动测量与机理解释[J].大连理工大学学报,2007,47(1):1-5.

[10]Kärnä T. An upper bound model for self-excited vibrations [C]. Proceedings of 19th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC), 2007.

[11]Kärnä T, Qu Y, Kuhnlein W. A New spectral method for modeling dynamic ice actions [C]. Proceedings of the 23rd International Conferences on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, Vancouver, Canada, 2004.

[12]陈传尧.疲劳与断裂[M].武汉:华中科技大学出版社, 2001.

[13]王荣祥.冰区在役导管架平台的冰振疲劳研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[14]季顺迎,岳前进,毕祥军.辽东湾JZ20-2海域海冰参数的概率分布[J].海洋工程,2002,20(3): 39-43.

[15]中国船级社. 海上移动平台入级与建造规范[S]. 2005.

[16]ABS. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2012.

收稿日期：2015-08-15

作者简介：李晓晓(1991-)，女，硕士研究生。

文章编号：1001-4500(2016)03-0066-08

中图分类号:P75

文献标识码：A

Fatigue Life Analysis of the Jack-up Platform Induced by Ice Vibrations

LI Xiao-xiao1, ZHANG Da-yong2, YUE Qian-jin2, LIU Di1

(1.School of Mechanical and Power Engineering, Dalian Ocean University, Liaoning Dalian 116023, China; 2.School of Ocean Science & Technology, Dalian University of Technology, Liaoning Panjin 124221, China)

Abstract：Due to the specific environment of the Bohai Sea and structural features, ice-induced vibration will be easily for the Jack-up. The vibration can cause larger deck accelerations, discomfort the people who woked on platform and will produce structure fatigue damage. The ice-induced fatigue life analysis of Jack-up in ice areas is necessary. Based on the model test that test the interaction of the Jack-up with ice, this paper present the ice and Jack-up leg structure form of interaction. Secondly, a fatigue life evaluation method for Jack-up in ice areas is presented. Finally, A case study for typical Jack-up in Bohai Bay is presented in ANSYS. At the time ,the ice-reduced fatigue life of Jack-up which is built recently is analyzed in detail .The research results in this paper are helpful to the design and safety evaluation of Jack-up in ice areas.

Keywords：jack-up platform; fatigue analysis; numerical simulation; ice-resistant platform