CN108563846B - 一种基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法,引入关系式,构建对数形式的波致疲劳极限状态方程;确定影响波致疲劳损伤的随机变量;构建各随机变量的疲劳损伤的响应面,计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数;采用一次二阶矩法,得到立管波致疲劳可靠度指标的表达式;从年失效概率得到立管总寿命的目标可靠性指标;最终推导出波致疲劳的安全系数公式;给出了计算流程和算例。本发明可用以指导海洋立管波致的疲劳强度设计和评估。

Description

一种基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法
技术领域
本发明属于海洋工程设计领域,涉及海洋立管波致疲劳强度的设计与评估,尤其涉及一种海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法。
背景技术
立管的波致疲劳寿命由于以下的的原因,很难准确评估。一是服役期间的动态响应主要是由复杂海洋环境下的浮体运动和粘性流体载荷所决定,其载荷难以准确预报;二是疲劳寿命的计算模型,包括S-N曲线和Miner线性累计方法,本身也存在一定的不确定性。在现行的规范中,为保证立管的设计寿命,对于各类传统形式的浮体-立管系统,针对低、中、高三个安全等级,统一规定了通用于所有立管及位置的相对保守的疲劳安全系数3、6、10。
发明内容
为了克服已有技术无法评估立管的波致疲劳寿命的不足,本发明提供了基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法,能有效地确定海洋立管波致疲劳的安全系数,指导海洋立管波致疲劳的设计,减少海洋立管波致疲劳破坏的可能性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法,所述确定方法包括以下步骤:
步骤S1,引入关系式,构建对数形式的波致疲劳极限状态方程;
步骤S2,确定影响波致疲劳损伤的随机变量;
步骤S3,构建各随机变量的疲劳损伤的响应面,计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数;
步骤S4,采用一次二阶矩法,得到可靠性指标的表达式;
步骤S5,从年失效概率得到总寿命的目标可靠性指标;
步骤S6,推导出波致疲劳的疲劳安全系数公式。
进一步,所述步骤S1中,波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程为
Z=lnΔ-lnXmod-lnTs-mlnB-lnΩ+lnA
式中,Z为波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程;Ts为设计寿命,是确定值;Δ为Miner准则里疲劳失效时损伤值,Xmod为模型不确定变量,Δ、Xmod通常认为服从对数正态分布,随机特性可参照相关资料确定;A、m为S-N曲线的参数;Ω为应力参数,根据应力范围的计算结果S来计算,作为确定值处理;B为随机参数,用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素。
再进一步,所述步骤S3中,通过下式确定用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素的随机参数B的标准差:
Figure BDA0001609712990000021
式中,DW,a为波致疲劳的年疲劳损伤,其标准差用泰勒级数展开法求得。
更进一步,所述步骤S4中,采用一次二阶矩法,得到可靠性指标的表达式β为
Figure BDA0001609712990000022
式中,β为立管波致疲劳的可靠性指标;DW,a是用设计S-N曲线算得的年疲劳损伤;
Figure BDA0001609712990000023
而Ap是设计S-N曲线中的A;
Figure BDA0001609712990000024
Figure BDA0001609712990000025
为Δ、Xmod的均值;
Figure BDA0001609712990000026
为lnΔ的方差,公式中其他方差符号含义类同。
所述步骤S5中,从年失效概率得到立管在设计寿命Ts内波致疲劳目标可靠度指标β0等于:
Figure BDA0001609712990000031
式中,β0为设计寿命Ts内波致疲劳的目标可靠度指标;Ω'为使pfa,n等于目标失效概率的应力参数Ω,pfa,n为第n年的失效概率。
所述步骤S6中,波致疲劳的疲劳安全系数γWF
Figure BDA0001609712990000032
式中,γWF为波致疲劳的疲劳安全系数。
本发明的有益效果主要表现在:能有效地确定海洋立管波致疲劳的安全系数,指导海洋立管波致疲劳的设计,减少海洋立管波致疲劳破坏的可能性。
附图说明
图1是基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法的流程图。
图2是lnDW,a随δB的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2,一种基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法,所述确定方法包括以下步骤:
步骤S1,引入关系式,构建对数形式的波致疲劳极限状态方程;
步骤S2,确定影响波致疲劳损伤的随机变量;
步骤S3,构建各随机变量的疲劳损伤的响应面,计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数;
步骤S4,采用一次二阶矩法,得到可靠性指标的表达式;
步骤S5,从年失效概率得到总寿命的目标可靠性指标;
步骤S6,推导出波致疲劳的疲劳安全系数公式。
进一步,所述步骤S1中,波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程为
Z=lnΔ-lnXmod-lnTs-mlnB-lnΩ+lnA
式中,Z为波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程;Ts为设计寿命,是确定值;Δ为Miner准则里疲劳失效时损伤值,Xmod为模型不确定变量,Δ、Xmod通常认为服从对数正态分布,随机特性可参照相关资料确定;A、m为S-N曲线的参数;Ω为应力参数,根据应力范围的计算结果S来计算,作为确定值处理;B为随机参数,用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素。
再进一步,所述步骤S3中,通过下式确定用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素的随机参数B的标准差:
Figure BDA0001609712990000041
式中,DW,a为波致疲劳的年疲劳损伤,其标准差用泰勒级数展开法求得。
更进一步,所述步骤S4中,采用一次二阶矩法,得到可靠性指标的表达式β为
Figure BDA0001609712990000042
式中,β为立管波致疲劳的可靠性指标;DW,a是用设计S-N曲线算得的年疲劳损伤;
Figure BDA0001609712990000043
而Ap是设计S-N曲线中的A;
Figure BDA0001609712990000044
Figure BDA0001609712990000045
为Δ、Xmod的均值;
Figure BDA0001609712990000046
为lnΔ的方差,其他方差符号含义类同。
所述步骤S5中,从年失效概率得到立管在设计寿命Ts内波致疲劳目标可靠度指标β0等于:
Figure BDA0001609712990000051
式中,β0为设计寿命Ts内波致疲劳的目标可靠度指标;Ω'为使pfa,n等于目标失效概率的应力参数Ω,pfa,n为第n年的失效概率。
所述步骤S6中,波致疲劳的疲劳安全系数γWF
Figure BDA0001609712990000052
式中,γWF为波致疲劳的疲劳安全系数。
本发明中,疲劳设计的安全系数定义:结构疲劳设计中最常用的是最大允许累计损伤衡准,它要求结构在给定设计寿命期间的累计损伤度不超过规定的允许值,即
D≤Δo
Figure BDA0001609712990000053
式中,D为设计寿命Ts期间结构的累计损伤度;Δ0为相应的允许值。定义
Figure BDA0001609712990000054
为疲劳安全系数。过去γ大都基于经验,本发明拟考虑波致疲劳损伤中的随机不确定,给出基于可靠性理论的安全系数γ确定方法。
波致疲劳的极限状态的函数G可以写成
G=Δ/(Xmod·Ts·DW,a) (2)
式中,Ts为设计寿命(年),是确定值;Δ为Miner准则里疲劳失效时损伤值,Xmod为模型不确定变量,Δ、Xmod通常认为服从对数正态分布,随机特性可参照相关资料确定;DW,a为波致疲劳的年疲劳损伤,为随机变量。
波致疲劳的年疲劳损伤DW,a计算:Dw,a(A,Xi)为波致疲劳的年随机疲劳损伤,Xi为影响波致疲劳损伤的主要随机变量,A是所用S-N曲线的随机参数,而lnDW,a的标准差可采用泰勒级数展开法求得
Figure BDA0001609712990000061
由于波致疲劳计算需要花费大量的时间,实际操作时很困难,所以引入关系式
Figure BDA0001609712990000062
式中,A、m为S-N曲线的参数;Ω为应力参数,根据应力范围的计算结果S来计算,作为确定值处理;B为随机参数,用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素,其标准差可通过式(5)确定。
Figure BDA0001609712990000063
将式(4)代入式(2),并对方程两边取对数,获得波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程:
Z=lnΔ-lnXmod-lnTs-mln B-lnΩ+ln A (6)
疲劳可靠度指标:采用一次二阶矩法,可以得到可靠性指标的表达式β。
Figure BDA0001609712990000064
Figure BDA0001609712990000065
所以
Figure BDA0001609712990000066
式中
Figure BDA0001609712990000067
是用各参数中值和S-N曲线参数A的中值
Figure BDA0001609712990000068
计算得到的年疲劳损伤。有
Figure BDA0001609712990000069
式中,DW,a是用设计S-N曲线算得的疲劳损伤;λA为而
Figure BDA0001609712990000071
Ap是设计S-N曲线中所用到的A。
Figure BDA0001609712990000072
由此,式(7)可写成
Figure BDA0001609712990000073
目标可靠度的确定:设立管n年的失效概率为pf,n,n-1年的失效概率为pf,n-1,那么第n年的失效概率pfa,n就等于pf,n-pf,n-1。DNV-RP-F204中指出,立管在设计寿命最后一年或者检验周期最后一年(如果检验周期为5年,那么就是第5年)的失效概率应该小于不同安全等级下的目标失效概率,即10-3,10-4,10-5
如果选择检验周期的最后一年的失效概率为控制失效概率,并且检验周期为n年,则第n年的失效概率就为
pfa,n=pf,n-pf,n-1=[1-Φ(βn)]-[1-Φ(βn-1)]=Φ(βn-1)-Φ(βn) (11)
对波致疲劳,由式(11)和式(7)得
Figure BDA0001609712990000074
调节上式中Ω的大小,使pfa,n等于目标失效概率,记为Ω'。由式(12),获得立管在设计寿命Ts内波致疲劳目标可靠度指标β0
Figure BDA0001609712990000075
波致疲劳安全系数:按可靠性理论,可靠的设计要求相应的可靠性指标β大于等于某一规定的目标值β0,即:
β≥β0 (14)
由此,结合公式(10)得
Figure BDA0001609712990000081
对比式(1),得波致疲劳的疲劳安全系数
Figure BDA0001609712990000082
本发明推导了基于可靠性的立管波致疲劳安全系数的公式,给出了从年失效概率得到总寿命可靠性指标的方法。以水深500m的输油管为例,用本文的方法计算了检验周期分别为5年和6年时的疲劳安全系数。
以下是针对某水深500米的浮式平台,全长940m的SCR(钢悬链线立管),应用本发明进行立管触地处附近某点的安全系数计算。立管的波致疲劳采用Orcaflex软件进行计算,平台运动以平台在恒定环境载荷下的平均偏移、平台运动RAOs和Jonswap波浪谱的形式描述,海底刚度采用线性模型模拟。具体计算过程如下:
1)确定波致疲劳的随机变量及其参数,见表1。需要说明的是波致疲劳随机变量的变异性相对较小,表中拖曳力系数,RAO幅值修正系数,土壤刚度和单位立管重量的统计参数S-N曲线参数A的取值均取自实际数据,或公开发表的文献。
Figure BDA0001609712990000083
表1
2)对这些随机变量在指定参数范围进行敏感性计算,得lnDw,a(Xi)到的疲劳损伤记为,鉴于波致疲劳损伤计算工作量很大,实际计算时可选取最危险的五个工况;利用这些数据,构建Xi疲劳损伤的响应面;计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数
Figure BDA0001609712990000091
通常为响应面方程的斜率项,见表1;用泰勒展开法式,即说明书的式(3)求得的lnDW,a的标准差为
Figure BDA0001609712990000092
调整B的变异系数,求得说明书的公式(5)随δB变化的曲线,见图1,当δB取0.296的时lnDW,a为1.044,所以取B的变异系δ数为0.296;其中应力参数的中值
Figure BDA0001609712990000093
其他所用参数见表2。
Figure BDA0001609712990000094
表2
3)按说明书的式(12),计算出的lnΩ′,表3给出了设计寿命T为20年,检验周期取5年,不同安全等级的lnΩ′;按说明书的式(13)计算出相应的目标可靠度指标β0,见表4、表5。
Figure BDA0001609712990000095
表3
4)由说明书的式(16)算出波致疲劳安全系数γWF,见表4、表5。表4设计周期为20年,检验周期为5年时的WF波致疲劳安全系数,表5设计周期为20年,检验周期为6年时的WF波致疲劳安全系数。
Figure BDA0001609712990000096
表4
Figure BDA0001609712990000101
表5
由表4、表5的结果表明:
本发明所提方法确定的安全系数能考虑可靠性、检验周期、设计周期的影响,比传统的不变的安全系数3、6、10更加准确,是可行的,可用于指导海洋立管的设计。
相对于检验周期为5年的计算结果,检验周期为6年时的目标可靠度指标和疲劳安全系数都要大。这是因为检验周期越长,就需要用更大的安全系数来保证结构有足够的安全性。
本发明可用以海洋立管的疲劳强度设计与评估,为中国船级社《立管设计指南》中立管波致疲劳强度评估提供了参考依据。按此方法确定的安全系数设计的海洋立管将更加安全、合理和经济。

Claims (4)

1.一种基于可靠性的海洋立管波致疲劳安全系数的确定方法,其特征在于,所述确定方法包括以下步骤:
步骤S1,引入关系式,构建对数形式的波致疲劳极限状态方程;
步骤S2,确定影响波致疲劳损伤的随机变量;
步骤S3,构建各随机变量的疲劳损伤的响应面,计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数;
步骤S4,采用一次二阶矩法,得到可靠性指标的表达式;
步骤S5,从年失效概率得到总寿命的目标可靠性指标;
步骤S6,推导出波致疲劳的疲劳安全系数公式;
所述步骤S1中,波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程为
Z=lnΔ-lnXmod-lnTs-mlnB-lnΩ+lnA
式中,Z为波致疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程;Ts为设计寿命,是确定值;Δ为Miner准则里疲劳失效时损伤值,Xmod为模型不确定变量,Δ、Xmod通常认为服从对数正态分布,随机特性可参照相关资料确定;A、m为S-N曲线的参数;Ω为应力参数,根据应力范围的计算结果S来计算,作为确定值处理;B为随机参数,用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素;
所述步骤S4中,采用一次二阶矩法,得到可靠性指标的表达式β为
Figure FDA0003380576270000011
式中,β为立管波致疲劳的可靠性指标;DW,a是用设计S-N曲线算得的年疲劳损伤;λA
Figure FDA0003380576270000012
而Ap是设计S-N曲线中的A;
Figure FDA0003380576270000013
Figure FDA0003380576270000014
为Δ、Xmod的均值;
Figure FDA0003380576270000015
为lnΔ的方差,公式中其他方差符号含义类同。
2.根据权利要求1所述的确定方法,其特征在于,所述步骤S3中,通过下式确定用于计及疲劳载荷计算过程中不确定因素的随机参数B的标准差:
Figure FDA0003380576270000021
式中,DW,a为波致疲劳的年疲劳损伤,其标准差用泰勒级数展开法求得。
3.根据权利要求1或2所述的确定方法,其特征在于,所述步骤S5中,从年失效概率得到立管在设计寿命Ts内波致疲劳目标可靠度指标β0等于:
Figure FDA0003380576270000022
式中,β0为设计寿命Ts内波致疲劳的目标可靠度指标;Ω'为使pfa,n等于目标失效概率的应力参数Ω,pfa,n为第n年的失效概率。
4.根据权利要求1或2所述的确定方法,其特征在于,所述步骤S6中,波致疲劳的疲劳安全系数γWF
Figure FDA0003380576270000023
式中,γWF为波致疲劳的疲劳安全系数。
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