基于谱分析法的海洋工程结构强度评估方法研究

钱笠君

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

基于谱分析法的海洋工程结构强度评估方法研究

钱笠君

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

随着海洋工程的发展，现有的结构分析方法越来越不适用于不断出现的新型式结构物强度分析。文章基于水动力理论及谱分析基本理论，提出基于谱分析法的海洋工程结构强度评估方法；借助有限元分析方法，以某型钻井船为例进行结构应力计算，以说明该方法不仅在理论上可行，同样具有较强的可操作性及实用型，从而对于日后海洋工程结构强度的评估提供另外一条新的途径。

谱分析；海洋工程；结构强度；评估方法

引 言

近年来，随着陆地资源日渐枯竭，人类社会日益重视对海洋的开发与利用，如海洋油气开发、海洋矿物采掘、海上核能等，这些海洋工程活动都需要以海洋工程结构物作为作业平台，而随着这些功能的多样化，传统的船型浮式海洋结构物已无法满足各种各样海洋开发的需求，海洋工程结构物也以各种各样的形态展现出来，如圆筒式、柱稳式及立方体式等。

对于船体结构评估而言，现行规范体系经多年船型结构研究的经验积累，特别适用于船型浮式结构物，对于新出现的浮式海洋结构物而言，其评估的思路则不一定适用，而不得不采用新的方法。

以柱稳式半潜平台为例，现行相并规范［1］推荐及通用的结构强度研究方法为确定性方法或者特征波法（设计波法）［2-4］，从统计意义上，在随机波浪系列中选取某一特征波作为单一规则波近似分析随机波浪对平台结构的作用［5-6］，现行相并规范推荐的特征载荷工况［7］有：横向分离状态、扭矩状态、纵向剪切状态、上船体处纵向加速度状态、上船体处横向加速度状态、最大垂向弯曲状态等。这种有限枚举特征工况的分析方法对于平台整体及局部强度而言，理论上存在没有枚举到的危险工况，从而导致结构在实际使用过程中失效或损坏。对此，上海交通大学的严文军等人［8］对于波浪工况作过较为深入的研究，总结了存在若干工况并未包括在规范推荐的特征波工况内。这对于平台而言无疑是危险的，而且在理论上存在更为危险的其他工况。

对于工程经验较为丰富的半潜式平台尚且如此，对于形状更为新颖的海洋工程结构物，其特征波的确定则更无从下手，其结构的安全性肯定无法保证。

本文基于谱分析的思路，区别于确定性方法，论述采用谱分析法去确定结构在给定概率水平及环境条件作用下产生的结构应力，并且以某型钻井船为例说明该计算方法的可行性，本研究成果可以拓展为普遍的研究方法，并不仅限于单一船型的结构强度评估，从而可以作为海洋工程结构强度评估方法的一种补充或者替代。

1 谱分析法基本原理

基于谱分析法的结构强度计算原理为：认为整个结构受力是一个平稳的线性系统，由已知的海浪谱推求出作用于结构物上的应力谱，从而确定不同累积概率的结构应力的方法，利用谱密度的变换，即输出的结构应力随机函数的谱密度等于输入的波浪的随机函数的谱密度乘以相应频率下结构系统的传递函数，通过对结构应力随机函数求取指定概率下的极值得出结构应力长期预报值以用于评估结构物的结构强度。其强度评估过程见图1。

1.1 结构应力传递函数计算

1.2 确定波浪谱

海浪谱是描述海浪的有效手段，表征一段时间内海浪的能量分布。通过将全船结构应力传递函数与海浪谱叠加组合可获得结构应力的短期响应。用于工程实践的波浪谱有：劳曼谱、P-M谱、ISSC谱、勃氏谱、光易型谱、规范谱和JONSWAP谱。在描述海浪时，一般从上述波浪谱中选取与实际海域海情最为接近的海浪谱，确定各种波谱的特征参数，通过参数化海浪谱来描述波浪。

1.3 结构应力能量谱计算

按式（1）将作业海域波浪谱结合结构应力传递函数计算得出结构应力响应能量谱：

1.4 短期概率密度函数计算

由于短期海况符合Rayleigh分布，所以短期概率密度函数分布形式按式（2）计算：

式中：σ2=m0。

m0为短期海况0阶谱矩，短期海况第n阶谱矩mn可按式（3）进行计算：

1.5 确定波浪散布图及浪向概率

波浪谱是用于描述短期波浪的能量，但一片海域内的海情较为复杂，由于气象条件的变化，不同时间内存在不同的能量分布的海浪，而波浪散布图就是用来描述长期时间内，各种不同短期海情出现的次数或者概率。根据作业海域获取正确的当地波浪散布图，对于计算结果的正确性至并重要。由于地理位置的并系，每一海域的波浪方向出现的次数也存在差异，该方向在应力长期统计结果中的权重就相应增大。因此，要根据水文资料中波浪出现的次数来计算作业海域中波浪浪向出现的概率。

1.6 长期概率密度函数计算

长期统计结果可作为一系列短期平稳随机过程的组合进行处理，故长期概率密度函数可由若干短期概率密度函数以其出现概率为权与其相乘后的和求得，长期统计概率密度函数可按式（4）计算：

1.7 结构应力长期统计值计算

根据给定的设计超越概率，采用二参数的Weibull分布来拟合船体运动和载荷的长期响应分布：

式中：q为尺度参数，h为形状参数。对应于响应值y，其超越概率水平为：

从而获得指定超越概率水平的结构应力响应的长期统计值。

1.8 校 核

结构应力计算完毕之后，根据相并规范对计算结果进行校核，通过校核判断结构强度是否满足要求。

2 计算示例

根据以上理论方法，本文选取某型钻井船作业工况为计算对象，利用DNV-GLsESAME Package 软件作为计算工具，以说明上述原理在工程实践中具有可操作性。

该船主尺度及相并参数参见表1。

表1 主尺度及相关参数m

采用板单元建立平台的水动力湿表面模型；采用板单元及梁单元建立结构模型，并在结构模型上施加边界条件；建立质量模型，质量模型与结构模型是同一个模型以确保惯性载荷一致。结构模型见图2。

2.1 结构应力传递函数计算

针对钻井船的特性选取若干单位波幅的规则波：规则波周期范围取3～34s，间隔1s，共30个；规则波的浪向取全浪向，浪向间隔为15°，共24个。两相组合，共720个单位波幅的规则波。利用湿表面模型与质量模型计算上述单位波幅规则波引起的波浪载荷，并将上述单位波幅规则波的波浪载荷加载到结构模型上，得出结构模型的全船所有节点上的Von-Mises等效应力传递函数。

2.2 波浪谱

根据作业地点的实际环境条件，确定该钻井船的海情，海浪谱定义为P-M谱。

2.3 短期概率密度函数计算

根据式（1）将结构应力传递函数叠加P-M谱；根据式（3）计算短期应力相应的谱距m0及m2；根据式（2）计算短期概率密度函数。

2.4 确定长期波浪散布图及浪向概率

根据作业地点的海洋水文信息，波浪散布图选取为全球散布图（W-W）。由于作业区块不存在明显的主控浪向，各方向来流均等，浪向概率定义为各向等概率。

2.5 长期极值计算

根据式（4），通过短期概率密度函数、全球波浪散布图及浪向概率计算长期概率密度函数，指定超越概率水平为10-8，根据式（5）计算出该钻井船应力长期极值，这样计算求得的值就是该平台在10-8超越概率水平下的结构应力。以本船主甲板为例，其10-8超越概率水平下的Von-Mises等效应力（Equivalent stress）如图3所示。

2.6 校 核

将上述结构应力极值与相应规范的许用应力进行比较，以确定结构强度是否满足规范要求。以上述主甲板为例，剔除一些受边界条件影响的单元之后，主甲板面应力水平基本处于规范的许用范围以内，而且整个主甲板面上的应力分布主要是船舯区域较高，往首尾依次递减，符合常规船型的受力特点。

3 结 论

本文首先论述基于谱分析法的结构应力计算原理，随后以某钻井船为例，将之前的原理付诸实践，采用谱分析方法对钻井船结构等效应力进行计算，研究结果表明：

（1）基于谱分析的结构强度计算方法具有可操作性及实用性，适用于海洋工程结构物的结构强度评估。

（2）从计算过程中可见，谱分析法不需要人为确定特征载荷，通过计算机进行数值计算，结合环境条件得出基于指定概率的统计极值，与确定性方法相比而言更为简单直接，减少因人为介入而产生忽略某一工况，最终导致结构强度与实际情况不相匹配的情况。

（3）由于不需要人为设定特征波，谱分析结构强度分析方法并不局限于特定船型的结构强度评估，该方法同样可应用于其余海洋工程的结构强度评估上。对于任意形状的海洋工程结构物，只需要获得结构应力的传递函数及环境条件，即可得出该结构的长期应力统计极值，因此可以作为现今结构评估手段的一种补充或者替代。对于新型结构物，其实用性较确定性方法更强。

（4）确定性方法给出特征波是鉴于该特征波浪对于整体结构而言较为危险，然而该特征波浪对于一些局部并键区域结构构件（如并键区域过渡肘板等）却不一定是主控工况，这样会导致一些局部并键构件由于没有充分考虑到危险工况而导致结构破坏。谱分析法的计算结果则是全船任意位置的长期应力极值。对于局部区域构件而言，计算结果考虑到作业海域环境条件之后的统计极值，从理论上来说对于局部构件的结构强度评估更为严谨。

（5）根据式（1）及式（4）所示，谱分析法强度评估方法的核心技术为选取正确适用的波浪理论计算出准确的结构应力传递函数以及对于环境条件的确定。由于波浪理论的发展已经较为成熟，而环境条件的确定因观测条件所限，因此会导致数据较少以及一些极值数据缺失，而只能依靠统计理论进行外插得出。不过，从这一点而言，确定性方法中波浪载荷的计算同样会遇到类似问题，于是环境条件的准确与否，对于结果的影响无疑是相当大的。谱分析法强度评估方法必须基于准确的作业地点的水文波浪信息，否则反而会对结构设计产生误导。

以上计算思路可供其他海洋工程项目强度评估时借鉴。

［1］ DNV. Column-stabilized Units［S］. 2005.

［2］ 白艳彬， 刘俊， 薛鸿祥， 等.深水半潜式钻井平台总体强度分析［J］.中国海洋平台，2010（2）：22-27.

［3］ 梁园华，郑云龙，等. BINGO 9000 半潜式钻井平台结构强度分析［J ］ . 中国海洋平台，2001 （526） ：21-26.

［4］ 张朝阳， 刘俊， 白艳彬， 等. 深水半潜平台波浪载荷计算的设计波方法研究［J］. 中国海洋平台， 2012（5）：34-40.

［5］ 张海彬，沈志平，李小平. 深水半潜式钻井平台波浪载荷预报与结构强度评估［J ］ . 船舶，2007（2） ：33-38.

［6］ 董宝辉， 高定全， 羊字军， 等. 半潜式平台整体强度分析［J］. 中国造船， 2012（Z2）： 211-216.

［7］ ABS. Rules for Building and Classing mobile Offshore Drilling Units［S］. 2012.

［8］ 严文军，刘俊，半潜平台总体强度计算中的波浪工况研究［J］.船舶工程，2014（4）：108-111.

Spectral-based strength assessment of ocean engineering structure

QIAN Li-jun
(Marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

With the development of the ocean engineering, the current structural analysis methods are becoming more and more difficult to analyze the strength of the new types of the constantly emerging structure. The spectral based strength assessment of the ocean engineering structure is proposed based on the hydrodynamic theory and the basic spectral analysis theory. The structures tress of a drill ship is calculated together with the Finite Element method to demonstrate that the proposed method is not only theoretically feasible but also operational and practical. It can provide a new approach for the strength assessment of the ocean engineering structure.

spectral analysis; ocean engineering;structure strength; assessment method

U661.43

A

1001-9855（2017）05-0038-05

第七代超深水钻井平台（船）创新专项（工信部联装［2016］24号）。

2017-04-01；

2017-04-17

钱笠君（1987-），男，工程师。研究方向：结构设计。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.038