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复杂环境下导管架受力研究摘要：海洋的环境载荷是复杂和多变的，而海洋的坏境工况又决定着海上结构物的受力情况，海洋平台结构复杂，造价昂贵，并且在海洋中工作，长期承受风、浪、流、地震等载荷的威胁，所处的工作环境十分复杂恶劣。
结构是否具有足够的强度，关系到海洋平台能否满足环境条件的要求与实现预期的功能。
因此，海洋平台的强度分析是一个复杂而且重要的问题。
本文针对某海域的导管架的方案设计，基于大型结构计算软件ANSYS，充分考虑海洋上复杂的载荷条件，完成多工况下的强度分析，并得出其应力和变形规律。
关键词：导管架平台；ANSYS；环境载荷；强度分析0 引言导管架平台长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的作用，其结构计算的复杂性和计算的规模，应用手算分析基本上已经是无法实现了，目前广泛采用有限元分析的方法，能更为精确可靠的完成结构强度仿真计算。
近年来我国的一些学者及工程技术人员对海洋平台强度分析进行了一系列的研究。
许滨、申仲翰[1]利用非线性模似技术及线性分析程序的完美结台，成功地分析计算了受集中载荷作用的空间框架结构，及受静载荷和环境载荷作用下的真实导管架平台极限强度。
窦培林、王辉辉[2]对渤西QK18- 2导管架平台整体和局部结构强度进行分析计算，运用MSC. PATRAN 建立QK18 - 2导管架平台整体结构计算分析有限元模型，确定了平台的环境荷载，按照规范进行荷载组合，确定结构计算分析的主要工况，计算了在各种荷载组合工况下的整体结构应力，并通过对平台整体结构应力状态的分析，选取平台应力幅值较大的典型管节点，根据美国石油协会API(American Petroleum Institute)规范对典型管节点进行了强度校核。
为导管架平台的结构设计提供了分析方法。
YildirimO.Bayazitogfu[3]通过对飓风后坎佩切湾平台强度的分析，提出了平台评估和修复的临时标准。
Damir Smenski，Hink Wolf[4]等人通过分析海洋平台环境因素对结构强度的影响，提出了剩余强度的计算方法。
波浪谱频率范围
波浪谱频率范围是指海浪在不同频率上的分布情况。
海浪的频率范围通常被分为几个区间，包括：微波区（0.02-0.04 Hz）、红区（0.04-0.08 Hz）、黄区（0.08-0.16 Hz）、绿区（0.16-0.32 Hz）、蓝区（0.32-0.64 Hz）和紫区（0.64-1.28 Hz）。
这些区间代表了海浪在不同频率上的能量分布情况，也反映了海浪的不同特征。
微波区的海浪波长很长，通常在百米到千米级别，能量非常微弱，因此对海洋运动和海洋生物几乎没有影响。
红区的波长约为50-100米，是海上航行中最常见的海浪，可以对船只造成一定影响。
黄区的波长为25-50米，绿区为12.5-25米，蓝区为6.25-12.5米，紫区为3.125-6.25米。
这些区间内的海浪会对船只、海岸线和海洋生物等产生不同程度的影响。
了解波浪谱频率范围对于海洋工程、海洋科研以及海上航行等有着非常重要的意义。
通过对不同频率下的海浪特征进行分析，可以更加准确地预测海况、评估风险、规划海洋工程等。
- 1 -。
第七章 波浪理论及其计算原理在自然界中；常可以观察到水面上各式各样的波动，这就是常讲的波浪运动，它造成海洋结构的疲劳破坏，也影响船的航行和停泊的安全。
波浪的动力作用也常引起近岸浅水地带的水底泥沙运动，致使岸滩崩塌，建筑物前水底发生淘刷，港口和航道发生淤积，水深减小，影响船舶的通航和停泊。
为了海洋结构物、驾驶船舶和船舶停靠码头的安全，必须对波浪理论有所了解。
一般讲，平衡水面因受外力干扰而变成不平衡状态，但表面张力、重力等作用力则使不平衡状态又趋于平衡，但由于惯性的作用。
这种平衡始终难以达到，于是，水体的自由表面出现周期性的有规律的起伏波动，而波动部位的水质点则作周期性的往复振荡运动。
这就是波浪现象的特性。
波浪可按所受外界的干扰不同进行分类。
由风力引起的波浪叫风成波。
由太阳、月亮以及其它天体引起的波浪叫潮汐波。
由水底地震引起的波浪叫地震水波由船舶航行引起的波浪叫船行波。
其中对海洋结构安全影响最大的是风成波。
风成波是在水表面上的波动，也称表面波。
风是产生波动的外界因素，而波动的内在因素是重力。
因此，从受力的来看；称为重力波。
视波浪的形式及运动的情况，波浪有各种类型。
它们可高可低，可长司短。
波可是静止的一一驻波（即两个同样波的相向运动所产生的波，也可以是移动的——推进波以一定的速度将波形不变地向一个方向传播的波），可以是单独的波，也可以是一个接一个的一系列波所组成的波群。
§7-1 液体波动理论一、流体力学基础1、速度场 描述海水质点的速度随空间位置和时间的变化规律的一个矢量。
),,,(t z y x V V =它的三个分量为：x 方向的量：),,,(t z y x u u =y 方向的量：),,,(t z y x v v =z 方向的量：),,,(t z y x w w =2、速度势 对于作无旋运动的液体，存在一个函数，它能反映出速度的变化，但仅仅是反映速度大小的变化，这个函数称为速度v的势函数，简称速度势： ),,,(t z y x φφ=3、速度与速度势的关系x u ∂∂=φ， y v ∂∂=φ， zw ∂∂=φ 二、海水运动的基本假设1、海水无粘性，只有重力是唯一的外力；2、液体自由液面上的压力为常数；3、液体波动振幅相对于波长为无限小；4、液体作无旋运动。
基于谱分析法的深水海洋平台疲劳寿命分析导管架平台在服役期间受到海洋复杂载荷的作用而易产生节点疲劳破坏。
由于交变应力的随机性，本文采用随机波浪谱和线性疲劳累积损伤理论对导管架式海洋平台在波浪荷载作用下的疲劳进行计算。
波浪载荷则使用Morison方程计算，并结合所计算的关键节点的热点应力函数及P-M波浪谱得出疲劳累积损伤。
本次分析同时考虑波浪长期随机性对结构疲劳强度的影响。
本文根据此理论使用SACS软件对南海海域某导管架平台进行了计算，所计算的疲劳寿命可为该海洋平台结构设计提供参考。
标签：海洋平台；谱分析法；疲劳损伤目前工程界对海洋平台疲劳分析方法主要有简化疲劳分析方法、谱分析方法以及确定性方法。
一般简化疲劳分析方法主要是基于疲劳应力的Weibull分布假设，用经验推荐的形状参数和计算得到的尺度参数代入拟合出该Weibull分布从而进行疲劳计算。
谱分析法则是通过计算结构响应，结合波浪谱和波浪概率分布来计算应力长期分布，更为精确和直接，同时计算量也更大。
确定性方法主要基于经验曲线进行疲劳寿命估算，精确性也不及谱分析法。
海上平台作为海洋石油和天然气资源开发的基础设施，处于一个非常复杂和恶劣的环境中。
它受到各种负载的影响，这些负载随时间和空间而变化。
这些负荷的影响是长期连续和随机的。
连续的周期性波动应力会对平台结构造成疲劳损伤，降低系统的可靠性，给经济安全带来诸多不利影响。
因此，海洋平台结构的疲劳寿命分析变得越来越重要。
波浪，海风和海流是作用于海上平台的主要载荷。
由于风和电流影响平台结构的疲劳损伤相对较小，一般被忽略。
本文主要考虑海上平台结构的波浪载荷。
疲劳寿命影响作用。
工程行业的海洋平台疲劳分析方法主要包括简化的疲劳分析方法，光谱分析方法和确定性方法。
一般简化疲劳分析方法主要基于疲劳应力的威布尔分布假设。
经验推荐的形状参数和计算的尺度参数被替换以适合Weibull分布以进行疲劳计算。
谱分析规则计算结构响应，结合波谱和波概率分布计算长期应力分布，更准确，更直接，计算量也更大。
Jonswap 谱：联合北海波浪项目峰形参数a σσ=（当m ωω≤时），b σσ=（当m ωω>时），因此该谱共有五个参量，它们都随各个谱而变化。
对于平均的JONSWAP 谱：3.3γ=0.07a σ= 0.09b σ=0.615 1.080.615 1.0883.7220 4.515.403(/)s U kX H m s --==⨯⨯=22/9.82201000/15.4039087.368X gX U ==⨯⨯=0.330.3322(/)()22(9.8/15.403)9087.3640.69145(/)m g u X rad s ω--==⨯⨯=0.220.220.076()0.0769087.3680.0102319X α--==⨯=在m ωω≤时，2222222exp[()/(2)]24524exp[(0.69145)/(0.070.69145)]5exp[426.85695(0.69145)]5415()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγωωωωωω----⨯--=-=⨯-⨯=-⨯在 m ωω>时，2222222exp[()/(2)]24524exp[(0.69145)/(0.090.69145)]5exp[258.22211(0.69145)]5415()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγωωωωωω----⨯--=-=⨯-⨯=-⨯22exp[426.85695(0.69145)]54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()10.285730.9827exp() 3.3mm S ωωωωωωωωωωω----⎧-⨯≤⎪⎪=⎨⎪-⨯>⎪⎩P-M 谱：又称ITTC 谱450.78()exp[ 1.25()]m S ωωωω=- 其中谱峰频率0.59067(/)m rad s ω===45540.780.590670.780.15216()exp[ 1.25()]exp()S ωωωωω=-=-TMA 谱：()()()J S f S f kh =Φg322tanh tanh ()tanh tanh 12/sinh 2kh khkh kh kh kh kh kh khΦ==+-+ 波数k 由色散关系2tanh gk kh ω=确定， 由()()S f df S d ωω=可知，()()/()/2()()/2J S S f df d S f S f kh ωωππ===Φg则()()/2()J J J S f S d df S ωωπω==()()/()/2()()/2()()J J S S f df d S f S f kh S kh ωωππω===Φ=Φg g22exp[426.85695(0.69145)]54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()()10.285730.9827exp() 3.3()mmkh S kh ωωωωωωωωωωω----⎧-⨯⨯Φ≤⎪⎪=⎨⎪-⨯⨯Φ>⎪⎩取上述JONSWAP 波浪谱为靶谱22exp[426.85695(0.69145)]54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()10.285730.9827exp() 3.3mm S ωωωωωωωωωωω----⎧-⨯≤⎪⎪=⎨⎪-⨯>⎪⎩海浪的波面：~1())Mi i i t t ηωε==+i ε为第i 个组成波的初相位 ，此处取在(0,2π)范围内取均布的随机数；取^1()/2i i i ωωω-=+，0.5t s ∆=，采用M=200，取频率上限H ω为4倍谱峰频率；（i ω为区间端点频率）440.69145 2.7658(/)H m rad s ωω==⨯=/ 2.7658/2000.013829(/)H M rad s ωω∆===采用^1()/2i i i ωωω-=+计算时，模拟的所得的波浪将以周期为2/πω∆重复出现，除非ω∆足够小，否则与实际的波浪情况不符。
Jonswap 谱：
峰形参数a σσ=（当m ωω≤时），b σσ=（当m ωω>时），因此该谱共有五个参量，它们都随各个谱而变化。
对于平均的JONSWAP 谱：
3.3γ=
0.07a σ= 0.09
b σ= 0.615 1.080.615 1.0883.7220 4.515.403(/)s U kX H m s --==⨯⨯=
22/9.82201000/15.4039087.368X gX U ==⨯⨯=
0.330.3322(/)()22(9.8/15.403)9087.3640.69145(/)m g u X rad s ω--==⨯⨯= 0.220.220.076()0.0769087.3680.0102319X α--==⨯=
在m ωω≤时，
2222222exp[()/(2)]2
4524
exp[(0.69145)/(0.070.69145)]5exp[426.85695(0.69145)]
54
1
5()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγ
ωω
ωω
ωω
----⨯--=-=⨯-⨯=-⨯
在
m ωω>时，
2222222exp[()/(2)]
2
4524exp[(0.69145)/(0.090.69145)]
5exp[258.22211(0.69145)]
54
1
5()exp[()]4150.691450.01023199.8exp[()] 3.3
410.285730.9827exp() 3.3m m m S g ωωσωωωωωαγωω
ωω
ωω
----⨯--=-=⨯-⨯=-⨯ 22
exp[426.85695(0.69145)]
54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()10.285730.9827exp() 3.3m
m S ωωωωωωωωωωω----⎧-⨯≤⎪⎪=⎨⎪-⨯>⎪⎩
P-M 谱：
4
5
0.78
()exp[ 1.25(
)]m S ωωωω
=
- 其中谱峰频率
1.253/0.59067(/)m rad s ω===
45
5
4
0.78
0.59067
0.78
0.15216
()exp[ 1.25(
)]exp()S ωωω
ωω=
-=
-
TMA 谱：
()()()J S f S f kh =Φ
322
tanh tanh ()tanh tanh 12/sinh 2kh kh kh kh kh kh kh kh kh
Φ==+-+ 波数k 由色散关系2tanh gk kh ω=确定， 由()()S f df S d ωω=可知，
()()/()/2()()/2J S S f df d S f S f kh ωωππ===Φ
则()()/2()J J J S f S d df S ωωπω==
()()/()/2()()/2()()J J S S f df d S f S f kh S kh ωωππω===Φ=Φ
22exp[426.85695(0.69145)]
54exp[258.22211(0.69145)]54
10.285730.9827exp() 3.3()()10.285730.9827exp() 3.3()m
m
kh S kh ωωωωωωωωωωω----⎧-⨯⨯Φ≤⎪⎪=⎨⎪-⨯⨯Φ>⎪⎩
取上述JONSWAP 波浪谱为靶谱
22
exp[426.85695(0.69145)]
54exp[258.22211(0.69145)]5410.285730.9827exp() 3.3()10.285730.9827exp() 3.3m
m S ωωωωωωωωωωω----⎧-⨯≤⎪⎪=⎨⎪-⨯>⎪⎩
海浪的波面：
~
1
())M
i i i t t ηωε==+
i ε为第i 个组成波的初相位 ，此处取在(0,2π)范围内取均布的随机数；
取^
1()/2i i i ωωω-=+，0.5t s ∆=，采用M=200，取频率上限H ω为4倍谱峰频率；（i ω为区间端点频率）
440.69145 2.7658(/)H m rad s ωω==⨯=
/ 2.7658/2000.013829(/)H M rad s ωω∆===
采用^
1()/2i i i ωωω-=+计算时，模拟的所得的波浪将以周期为2/πω∆重复出现，除非ω∆足够小，否则与实际的波浪情况不符。
因此在各区间内部随机的选取频率作为该区间的代表
频率；
由上述参数可以模拟出需要的波面，由下述公式可以得到自相关函数；
1
1
()()()N n
n n R t t
t t N ννηνην
-=∆=
+∆-∑
,0,1,2,...,t m τνν=∆=
此处N=2200,m=100
这样便得到()R τ的1m +个值，它们等间隔地分布着，并分别位于0,,2,...,t t m t τ=∆∆∆； 有下述公式可以估算谱初值：
2
2
()cos ()cos(2)m t
m
n n
n
L R d R t f t t τ
ντωττνπνπ
π∆===
=∆∆∆∑∑ 此处采用的频率间隔为1
/2N f f m m t
∆==
∆ 1
2n n f n f m t
=∆=
∆代入上式得：
1
1
211[(0)()cos ()cos ]
220,1,2,...,m n n L R R t R m t n m n m
νπννππ-==+∆+∆=∑
1
220.06283182n n n f n m t
ωππ
===∆
采用哈明(Hamming)窗对初值谱进行光滑处理，得到光滑谱；
对模拟实现的波面进行统计分析可知， 统计波高共150个 最大波高为6.42089 其对应的周期为8.5
1/10大波波高为5.122027 其对应的周期为8.366667 1/3大波波高为4.201093
其对应的周期为8.32 平均波高为2.677328 其对应的平均周期为7.31
模拟实现的谱的一阶谱矩m 0
=1.16832
1/3s H H ==
H =
由线性波浪理论可得：
cos()A kx t ηω=-
cosh ()cosh ()
cos()sinh sinh k z d k z d u A kx t kd kd ω
ωηω++=-=
sinh ()sinh ()
sin()tan()sinh sinh k z d k z d v A kx t kx t kd kd
ωωηωω++=-=-
在水深20d m =,0x =，3z m =-处水质点的速度为： 1
11
cosh ()cosh17(,)cos()cos()sinh sinh 20m N
i i i i i i i i i i
i i i i k z d k u z t a t a t k d k ωωεωωε==+=+=+∑∑ 111
sinh ()sinh17(,)sin()sin()sinh sinh 20m N
i i
i i i i i i i i
i i i i k z d k v z t a t a t k d k ωωεωωε==+=+=+∑∑ 把谱分成m 1=200份，取
i a =频率划分的方法采用等分频率的方法，其具体方法和 i ω i
ω及i ε的选取方法同上，由此可以得到速度过程线（下图为速度过程线的一段）；
由速度过程线可以得到自相关函数以及速度谱：
1
1
()()()N n
n n R t u t
t u t N νννν
-=∆=
+∆-∑
,0,1,2,...,t m τνν=∆=
此处N=2200,m=100
这样便得到()R τ的1m +个值，它们等间隔地分布着，并分别位于0,,2,...,t t m t τ=∆∆∆； 有下述公式可以估算谱初值：
2
2
()cos ()cos(2)m t
m
n n
n
L R d R t f t t τ
ντωττνπνπ
π∆===
=∆∆∆∑∑ 同上采用哈明(Hamming)窗对初值谱进行光滑处理，得到光滑谱；。
