详情

原文传递海洋结构物标准载荷时间历程的建立及其在疲劳寿命预报中的应用

论文题名：	海洋结构物标准载荷时间历程的建立及其在疲劳寿命预报中的应用
关键词：	海洋平台;T型管节点;裂纹扩展;标准载荷;疲劳寿命预报
摘要：	海洋结构物在服役期内所遭受的复杂随机载荷作用使得疲劳成为结构的主要破坏模式之一，因此，疲劳寿命的准确预报对海洋工程结构设计的经济性和使用的安全性都有着极其重要的意义。目前国际船舶研究领域公认的事实是，传统的基于累积疲劳损伤（CFD）理论的疲劳寿命预报方法由于忽略了载荷次序效应、结构初始缺陷尺寸等诸多影响疲劳寿命的重要因素，得到的结果往往难以令人满意。而基于疲劳裂纹扩展（FCP）理论的新一代疲劳寿命预报方法能够克服CFD理论中存在的缺陷，是海洋结构物疲劳强度校核问题研究的发展趋势。　　疲劳寿命预报统一（UFLP）方法是一种基于FCP理论的疲劳寿命预报方法，此方法中提出的改进疲劳裂纹扩展率模型可以较好地解释现阶段疲劳试验中所观察到的大部分现象，具有良好的应用前景。然而，在应用UFLP方法进行海洋结构物的疲劳寿命预报时，还需提供标准载荷时间历程（SLH）作为指定结构的疲劳载荷序列。与传统的简化随机载荷序列不同，SLH不但能够更加准确地描述结构在服役期内所承受的疲劳载荷时间历程，提高疲劳分析精度，而且可以大大节省数值分析和试验操作的时间和经济成本。但由于海洋结构物的设计寿命周期较长且载荷环境较为复杂，目前关于 SLH的研究十分有限，仍处于初步发展阶段。　　本文的主要目的是提出一种基于短期疲劳载荷数据来确定海洋结构物 SLH的方法，并将所确定的SLH作为指定结构的疲劳载荷序列，最终应用UFLP方法进行海洋结构物典型节点的疲劳寿命数值预报。基于这一目的，本文主要完成了以下几个方面的工作：　　1)全面总结了海洋结构物疲劳寿命预报方法和标准载荷时间历程的研究进展，通过详细分析，明确了疲劳寿命预报方法的发展趋势以及标准载荷时间历程在海洋工程领域的发展和应用前景。　　2)系统归纳了载荷次序效应对疲劳裂纹扩展率产生的影响及其原因。借助现有的试验结果，对改进的统一裂纹扩展率预报模型在典型变幅载荷作用下的裂纹扩展率预报结果进行了验证，结果表明该模型具有良好的预报精度。同时详细阐述了UFLP方法的基本思想，指出SLH的确定在海洋结构物疲劳寿命预报中的必要性。　　3)开发了一种从短期实测载荷数据来生成长期疲劳载荷的实用性算法。采用基于统计极值理论中POT（Peak Over Threshold）极值模型的数值外推方法对海洋结构物的短期疲劳载荷数据进行外插，从而得到结构的长期疲劳载荷时间历程，并采用雨流计数法对外推得到的长期疲劳载荷进行了循环周期计数。　　4)提出了一种基于短期疲劳载荷数据来确定海洋结构物SLH的方法：在已知一种（或多种）海况作用下的短期疲劳载荷测量数据的情况下，综合考虑结构所处环境的载荷统计资料，选择合理的载荷回复期长度，经小幅值载荷过滤、短期载荷数据外插、载荷周期随机重组等一系列步骤，确定出某一（类）海洋结构或构件的SLH，同时给出了一些在确定SLH时可供参考的经验性建议。　　5)分别以定点作业的海洋平台结构和动态航行的船舶结构为例，对其在服役期内所受到的载荷类型进行了详细分析，并选择其中对结构疲劳强度影响最为显著的波浪载荷，应用本文提出的方法分别确定平台 T型管节点和船舶双层甲板结构的SLH，最后将确定的SLH作为指定结构的疲劳载荷序列，应用UFLP方法进行结构的疲劳寿命数值预报。　　论文的创新点主要体现在以上（3）～（5）项的研究内容之中，通过上述的系统研究，本文得出的主要结论如下：　　1)通过比较外插载荷数据和实测载荷数据的雨流计数结果可知，经外插得到的疲劳载荷数据幅值通常比实测载荷周期幅值大一些，但载荷谱的形状基本一致，可见基于 POT极值模型的数值外插方法计算结果精度良好，可以用于海洋结构物长期疲劳载荷时程数据的外推，且随着外推次数的增加，生成的载荷数据将向某一区间集中；另外，阈值的选择是否合适直接关系到外推数据的准确性，通常可采用均值超额函数（MEF）法等方法来判断选定的阈值是否合适。　　2)确定某一（类）海洋结构物SLH的一般步骤为：首先根据波浪散布图等载荷环境统计资料对结构所处海域的载荷环境特征进行全面统计和详细分析；然后采用试验测量或直接计算方法获得结构在每一种海况作用下的短期疲劳载荷样本；再对样本数据进行小幅值载荷过滤以提高疲劳分析效率，经验建议可选取样本数据中最大载荷幅值的5％～10%作为过滤门槛值，可根据载荷数据的具体特征及计算精度等要求作适当调整；载荷回复期长度的选择十分关键，对于大部分海洋结构物而言，选择1年作为载荷回复期的长度较为合适；结合指定结构的载荷环境统计资料和载荷回复期长度，采用基于 POT极值模型的数值外插方法将过滤后的短期疲劳载荷数据外推至相应的时间长度；基于改进的风暴模型对回复期内的全部载荷周期进行重组；最后比较每一种载荷排列次序作用下的结构裂纹扩展率预报结果，选择裂纹扩展程度最为严重的一种载荷次序作为指定结构的SLH。　　3)本文所提出的SLH是一种一般海况和风暴海况随机交替出现的载荷模型：相对于海洋结构物的设计寿命而言，风暴海况的作用时间一般较短，但其中的载荷周期对疲劳裂纹扩展率所产生的影响却远远超过一般海况中的载荷周期，且风暴等级越高，裂纹扩展越快；当较高等级的风暴出现在整个载荷时程的前端时，由于风暴中的过载周期作用所产生的裂纹扩展迟滞现象将导致裂纹扩展速率变慢，这对延长海洋结构物的疲劳寿命是有益的；反之若较大的风暴发生在整个载荷时程的末端，则最终的裂纹尺寸较大，会明显缩短结构的疲劳寿命。可见，载荷次序效应对疲劳裂纹扩展率的影响不可忽视。　　4)基于UFLP方法的基本思想，将确定的SLH作为指定结构的疲劳载荷序列逐周加载，并不断重复直到结构发生疲劳失效或达到其预期的设计寿命，不但提高了结构疲劳寿命的预报精度，而且对同一（类）海洋结构或节点可应用相同形式的载荷时间历程，在很大程度上节省了数值预报或疲劳试验的时间和经济成本。　　总之，海洋结构物SLH确定方法的研究是UFLP方法发展中所需解决的一个关键问题。本文提出的这一海洋结构物SLH确定方法为标准载荷时间历程在海洋工程领域的发展和应用奠定了基础。
作者：	李珊珊
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	崔维成
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文