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基于断裂力学的船型网箱疲劳损伤评估研究.pdf
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1、第 20 卷 第 9 期 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 105 收稿日期:2023-07-15;修订日期:2023-09-07 Received:2023-07-15;Revised:2023-09-07 基金项目:国家自然科学基金(52071308)Fund:National Natural Science Foundation of China(52071308)引文格式:刘安民,谢凌俊,苏一鸣,等.基于断裂力学的船型网箱疲劳损伤评估研究J.装备环境工程,2023,20(9):105-113.LIU A
2、n-min,XIE Ling-jun,SU Yi-ming,et al.Fatigue Damage Assessment of Ship-shaped Net Cages Based on Fracture MechanicsJ.Equip-ment Environmental Engineering,2023,20(9):105-113.基于断裂力学的船型网箱疲劳损伤评估研究 刘安民,谢凌俊,苏一鸣,丁洪涛,何文涛*(中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266000)摘要:目的目的 结合断裂力学,通过直接计算方法进行海洋结构物疲劳损伤评估研究。方法方法 运用有限元方法,并通过谱分析进行结构
3、强度评估,找到结构热点应力。对热点进行局部精细建模,运用断裂力学方法进行疲劳裂纹扩展,进行海洋结构物疲劳损伤评估。结果结果 通过水动力分析表明,船型网箱在波浪入射角为 0及180时,运动幅值最大。通过直接强度计算,验证了网箱满足强度要求,但存在明显的应力集中现象。选取3 个疲劳热点进行裂纹扩展,得到其疲劳寿命分别为 11.3、17.3、33.1 a。结论结论 实现了基于断裂力学的海洋结构物强度分析与寿命预测,解决了海洋结构物疲劳损伤评估中计算效率与精度的平衡、整体模型与局部裂纹的耦合等问题。关键词:海洋结构物;子模型;强度分析;有限元计算;裂纹扩展 中图分类号:U663.9 文献标识码:A 文
4、章编号:1672-9242(2023)09-0105-09 DOI:10.7643/issn.1672-9242.2023.09.012 Fatigue Damage Assessment of Ship-shaped Net Cages Based on Fracture Mechanics LIU An-min,XIE Ling-jun,SU Yi-ming,DING Hong-tao,HE Wen-tao*(College of Engineering,Ocean University of China,Shandong Qingdao 266000,China)ABSTRACT:The
5、 work aims to evaluate the fatigue damage of marine structures through fracture mechanics and direct calculation methods.Structural strength assessment was performed by the finite element method and spectral analysis to find out the hot-spot stress.Local refined modeling was used for these hot-spots
6、,and fatigue crack growth was evaluated by fracture mechanics methods to assess the fatigue damage of marine structures.The results showed that the ship-shaped net cage exhibited maximum motion amplitude when wave incidence angles were 0 and 180 and met the strength requirements but showed significa
7、nt stress concentra-tion.By selecting three fatigue hot-spots for crack propagation analysis,fatigue lifespans of 11.3 years,17.3 years,and 33.1 years were obtained.This study successfully achieves strength analysis and lifespan prediction of marine structures based on spectral analysis and fracture
8、 mechanics,addressing the balance between com-putational efficiency and accuracy in fatigue damage assessment of marine structures as well as the coupling of overall models and local cracks.KEY WORDS:marine structures;submodel;strength analysis;finite element calculation;crack propagation 106 装 备 环
9、境 工 程 2023 年 9 月 利用简化计算方法进行海洋结构物疲劳寿命评估时,波浪载荷与结构响应都是通过经验公式计算的。这一方面会限制简化计算方法在缺乏数据样本的新型结构物上的应用,另一方面也会带来计算精度上的问题1-3。直接计算方法是公认较为准确的海洋结构物疲劳强度计算方法,与简化计算方法相比,直接计算方法中结构的疲劳载荷并不是通过经验公式计算的,而是通过波浪载荷软件,直接运用势流理论和莫里森方程对有限元模型进行计算得到的,并且通过有限元结构分析得到了结构的应力。这不仅能更好地反映全船疲劳载荷分布,也能够更好地反映出结构细节之处的载荷特点4。谱分析方法是直接计算方法的一个重要方法,谱分析方
10、法物理意义明确,过程合理,考虑因素全5,被认为是一种准确的方法,也得到了较为广泛的研究。赖明雁6认为,谱分析方法是建立在真实的海况与真实装载工况下的直接计算方法,计算精度高。徐帅7利用谱分析方法开展了 LNG 船疲劳可靠性的分析,对谱分析方法的计算精度表示了肯定。宋宪仓8展开了半潜平台关键节点疲劳寿命评估的研究,并对结果进行了宽带修正,研究表明,相比于确定性方法,谱分析方法能够考虑波浪能量的分布,结果更为精确。曾琪9利用挪威船级社开发的海洋结构分析软件SESAM 对江海直达船进行了基于 S-N 曲线法的疲劳谱分析研究,并且将结果与简化计算方法进行了比较,认为谱分析相比于简化计算方法能得到更加准
11、确的结果。白晓东10开展了深海网箱结构时域方法和频域方法的疲劳分析,并探讨了包括 Rayleigh 分布、Gamma 分布和 GEV分布在内的多种分布模型对疲劳寿命结果的影响,表明对于非高斯过程,利用Rayleigh 分布对应力范围概率密度进行描述可能会产生较大的误差。由于谱分析方法是建立在应力响应窄带高斯过程的基础上的,因此不少学者对非高斯过程11、双峰或者三峰高斯过程12、高低频载荷共同作用13、窄带修正14等方面也做了不少工作,以提高谱分析方法的精度。为了加深对基于断裂力学方法的海洋结构物疲劳裂纹扩展分析与寿命预测研究的认识和了解,形成更加成熟完善的研究体系,学者们从不同层面展开了广泛的
12、研究。Tanaka 等15-17对管节点结构开展了疲劳裂纹扩展分析研究,丰富了海洋工程中常见节点结构的疲劳性能研究。王小松18以在役 FPSO 为对象,根据英国标准 BS 7910 进行了基于断裂力学的疲劳研究,并进行了多种规范之间的比较,研究结果对于营运安全具有一定的指导意义。本文所采用的海洋结构物疲劳寿命评估方法将谱分析方法和断裂力学方法相结合,利用有限元计算的方式得到结构物在真实海况下的载荷条件,从疲劳载荷的角度保证疲劳评估的精度19,然后通过断裂力学进行疲劳评估。本文将以船型网箱为例,进行海洋结构物的运动特性以及结构应力分析,并利用子模型技术进行局部应力分析。之后,运用多尺度子模型实现
13、壳单元到实体单元的转变,并在实体单元部分进行裂纹扩展,得到疲劳寿命。1 疲劳分析方法和有限元模型 1.1 谱分析方法 谱分析方法的主要分析流程:1)对海洋结构物进行水动力分析与应力响应分析,并提取疲劳热点的应力传递函数 Hstress。2)基于海洋结构物为线性系统的假设,根据海况 i 的波浪谱,求得应力响应谱密度函数。3)基于应力响应是窄带高斯过程的假设,求得应力范围的概率密度函数 f(S)。4)根据线性累积损伤理论,可以得到海况 i 下每年的疲劳损伤度,见式(1)。ii0365 24 3600f()/iiiiminDNpfSSA S(1)式中:pi为海况概率;f0i为海况 i 对应的平均跨零
14、率;ni为循环次数;Ni为循环破坏的寿命;S 表示应力范围;A 和 m 为疲劳实验参数。5)循环步骤 1)、2)、3),在对所有短期海况进行遍历后即可得到 1 a 内的总损伤度,见式(2)。iDD(2)1.2 裂纹扩展增量计算 对于裂纹稳定扩展阶段,最熟悉的扩展模型莫过于 Paris 模型20:thd()dmmaCKKN(3)式中:C 和 m 为材料参数;ddaN为裂纹扩展速率;K 为应力强度因子范围;Kth为应力强度因子范围门槛值。当应力强度因子范围 K 小于门槛值 Kth时,裂纹将不能够扩展。单一短期海况下的裂纹扩展增量 E(da)可以根据式(4)(6)进行计算:0d(d)ddiii Ka
15、EaC NxfxxN(4)2012imfm(5)i202iiiTmNT fm (6)第 20 卷 第 9 期 刘安民,等:基于断裂力学的船型网箱疲劳损伤评估研究 107 式中:Ni为第 i 个短期海况下的循环次数;Ti为对应短期海况下的持续时间;fi为对应海况下的平均过零率;fiK为应力强度因子范围的概率密度函数;m0和 m2为应力强度因子响应谱 0 阶和 2 阶谱矩。由此可得,单一短期海况下的裂纹扩展增量为:thi20dd2mii KKTmEaCxfxxm(7)1.3 有限元模型 1.3.1 模型参数和坐标系 船型网箱主要由船艏舱室、船艉浮箱以及船艏 船艉之间的箱型梁组成。船型网箱主要参数见
16、表 1。表 1 船型网箱主要参数 Tab.1 Main parameters of ship shaped cages 型长/m型宽/m型深/m 吃水/m 总排水量/t91.2 35.0 7.0 4.5 1 627 坐标系原点在船底中线上,x 轴正方向由船艏指向船艉,y 轴由左舷指向右舷,z 轴由船底指向上,如图 1 所示。同时,波浪入射角 的定义方式也在图1 中进行了展示,波浪入射角 即波浪入射方向与 x轴正方向之间的夹角。图 1 网箱参考坐标系定义 Fig.1 Definition of the cage reference coordinate system 1.3.2 网箱有限元模型
17、由于海洋结构物主尺度较大,结构复杂,同时结构的厚度效应也会在水动力分析中有明显的体现,因此对于海洋结构物,一般利用壳单元以及梁单元进行有限元建模。网格主要为四边形单元,在结构不连续、曲率变化大处等将利用三角形单元进行离散。对于网箱上大量的 T 形材、角钢等细长结构将利用梁单元进行建模,如图 2a 所示。结构应保持自由动态平衡状态,需要对其自由度进行约束21。DNV等船级社做出了相应的规范要求22,采用三点约束法对网箱进行约束,如图 2b 所示。约束点 1 位于船艏底板中线纵舱壁下,约束其 x、y、z三个自由度上的平动位移;约束点 2 位于船艉右浮箱横纵型材的交点下,约束其 y、z 两个自由度上
18、的平动位移;约束点 3 位于船艉左浮箱横纵型材的交点下,约束其 z 轴方向上的自由度。1.3.3 服役环境与载荷 海洋结构物在服役期间,同时遭受风浪流等载荷的共同作用,由于风和流的作用较弱,因此本文只考虑波浪载荷的作用。本文船型网箱服役于北大西洋海域,采用北大西洋海域波浪散布图。进行频域内分析时,由于结构的对称性,单位波幅规则波入射方向设为 0180,具体为 0、30、60、90、120、150、180。同时,波浪频率设置为 0.22.4 rad/s,间隔0.1 rad/s。1.4 子模型 针对海洋结构物这类尺寸能够达到百米,并且结构复杂、细节丰富的超大型结构,在建模时保留全部细节将会导致建模
19、工作量的显著增加,同时也会大大降低计算效率,还可能带来应力奇异现象等不利影响。因此,一般利用简化模型、粗网格模型对结构进行整体建模与分析,而采用子模型技术进行局部区域的建模与应力分析。子模型技术的主要分析流程如图 3 所示,主要步骤如下23-24:1)全局模型的建模与分析。对全局模型进行简化建模,采用较粗的网格进行单元划分,然后进行全局模型的分析。根据全局模型的分析结果,确定需要进行重点分析的局部区域(子模型区域)。2)子模型的建模。根据实际尺寸、结构以及分析目标等,对子模型进行精细化建模,添加整体模型中未考虑的细节结构,并利用精细网格进行单元划分。3)子模型边界继承。根据子模型的切割边界,从
20、全局模型的分析结果中读取计算当前子模型的边界条件。108 装 备 环 境 工 程 2023 年 9 月 图 2 船型网箱有限元模型 Fig.2 Finite element model of ship shaped cage:a)element type;b)constraint settings 图 3 SESAM 子模型 Fig.3 SESAM submodel 4)子模型分析。利用子模型进行局部结构的应力分析等,得到局部结构更精确的应力分析结果等。在对大型结构进行有限元分析时,为了兼顾计算效率与计算精度,通常不会采用单一尺度(如壳单元、实体单元、梁单元)的单元进行结构离散,而是利用多尺度
21、子模型技术建立多尺度耦合模型,在保证计算精度的同时提高计算速率,壳-实体耦合模型便是其中的重要形式25。在本文海洋结构物裂纹扩展分析中,壳-实体耦合模型的采用主要基于以下 2 点考虑:1)载荷计算是在 SESAM 中以壳、梁单元的形式完成的,因此壳单元的保留有利于更加灵活便捷地实现载荷的传递;2)实体单元的采用主要为了体现结构细节,得到更加精准的局部应力,实现裂纹在实体中的扩展。1.5 多尺度耦合模型 壳-实体耦合模型中,一部分单元为壳单元,一部分单元为实体单元。由于壳单元节点具有六自由度,第 20 卷 第 9 期 刘安民,等:基于断裂力学的船型网箱疲劳损伤评估研究 109 而实体单元节点仅仅
22、具有 3 个平动自由度,因此壳单元与实体单元连接处将会出现自由度不一致的情况,需要进行内部分布耦合约束以实现节点之间的协调26。壳-实 体 耦 合 在 ABAQUS 中 的 实 现(通 过shell-to-solid coupling 命令)如图 4 所示。为了减少后续有限元计算的时间,壳-实体耦合模型的范围只是 SESAM 中子模型的局部,相当于从子模型中再次提取最为关心的疲劳热点部分作为子模型,这样处理的好处是既能更加突出重点区域的应力分布,也能缩小模型,提高计算效率。从 SESAM 中子模型导出分析区域(二级子模型),并将其中实体区域内结构以实体单元重新建模,最后通过 shell-to-
23、solid coupling实现壳体单元与实体单元之间的连接,形成壳-实体耦合子模型。此外,壳-实体耦合子模型的载荷是通过节点对节点的形式从上一级子模型中继承的,并赋予到图 4中壳单元最外层节点上。这部分工作主要是将从SESAM 软件中导出的边界上所有节点的六自由度运动逐一导入到ABAQUS壳-实体耦合子模型中对应的节点上,从而实现载荷的传递,如图 5 所示。图 4 壳-实体耦合子模型 Fig.4 Shell-solid coupling submodel 图 5 载荷传递示意图 Fig.5 Schematic diagram of load transfer 2 应力分析结果及疲劳分析 2.
24、1 运动特性分析 在 SESAM 软件中,根据三维势流理论,可以求得波浪场的速度势,并可以进一步求解出单位波幅规则波作用下结构的六自由度运动响应。本文船型网箱在 0、30、60、90、120、150、180入射方向下的六自由度(垂荡、纵荡、横荡、横摇、纵摇、艏摇)运动响应传递函数如图 6 所示。由图 6 可见,对于船型网箱,六自由度运动中垂荡运动是其中最激烈的运动模式。随着波浪频率逐渐增大,垂荡运动幅值先增大、后快速减小到 0 附近。这可能是由于在波浪频率等于 1.1 rad/s 附近时,网箱出现共振现象,导致垂荡运动的迅速增大。共振区的左侧区域,频率较小,波周期较大,结构所承受的浮力发生变化
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