CN110378019A - 结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，涉及船舶与海洋工程领域，解决了现有评估计算结果保守、误差大的弊端，其技术方案要点是由半潜平台海上实测时域海浪数据转换至频域实测海浪谱，由半潜平台海上实测时域应力数据转换至频域实测应力谱；利用有限元软件对半潜平台进行数值分析，计算各规则波作用下应力测点位置处应力传递函数、应力测点位置至热点位置处的应力过渡函数；由半潜平台海上实测应力谱与热点位置应力过渡函数，得到热点位置推测应力谱，结合实测海浪谱，评估半潜平台疲劳损伤度，本发明的半潜平台疲劳损伤评估方法，利用实测手段预报疲劳损伤，保证数据精度，有效保障平台海上作业的安全性。

Description

结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程，特别涉及一种结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法。

背景技术

半潜平台是适用于深水作业的大型海上结构物，其具有作业状态稳定、移动性能好、作业深度大等优点。其在海上作业，承受交变的风、浪、流载荷作用下，会在结构易发生破坏的热点处产生疲劳损伤，影响结构的安全性、使用性要求。

为对半潜平台海上作业中的疲劳损伤进行评估，预报其疲劳寿命，需要一种精确的疲劳预报分析方法。现有技术中，针对半潜平台疲劳损伤的评估方法主要是利用有限元软件对半潜平台频域内的疲劳损伤估计，其偏向与平台前期设计制造环节，且计算结果偏保守，计算误差较大，这是因为精确的疲劳损伤预报分析方法不仅需要考虑理论数值计算的分析结果，还需海上实测的精确数据资料。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，利用实测手段预报半潜平台疲劳损伤，保证数据精度，有效保障平台海上作业的安全性。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，包括有以下步骤：

由半潜平台海上实测的海浪数据及测点应力数据，分别经时频转换得到对应的实测海浪谱及实测应力谱；

通过有限元软件对半潜平台进行数值分析得到测点应力和热点应力，由测点应力和热点应力计算得到热点应力过渡函数；

通过热点应力过渡函数和实测应力谱计算得到推测热点应力谱，并且结合实测海浪谱评估得到半潜平台疲劳损伤度。

作为优选，对海上实测数据的分析处理具体包括有：

将海上实测的海浪数据按照时间历程连续分解处理为若干短期海况，且根据时频转换得到原始海浪谱；

海上实测的测点应力数据按照时间历程与短期海况对应处理，根据时频转换得到原始测点应力谱，并根据线性外推法与半壁内外侧应力传递规律得到热点推测应力数据；

将热点推测应力数据按照时间历程与短期海况对应处理，根据时频转换得到原始测点推测应力谱；

对原始海浪谱、原始测点应力谱、原始热点推测应力谱进行低高频信号滤波及噪声处理，分别得到实测海浪谱、实测测点应力谱及实测热点应力谱。

作为优选，海上实测的海浪数据按照时间历程每三个小时处理成一个短期海况。

作为优选，对半潜平台进行数值分析的具体过程如下：

建立目标半潜平台的数值模型；

在数值模型中施加各个浪向、波频的单位波高规则波，求得测点位置应力传递函数；

根据线性外推法及半壁双侧应力传递函数计算得到热点位置应力传递函数；

通过测点位置应力传递函数及热点位置应力传递函数计算得到热点位置应力过渡函数。

作为优选，测点位置应力传递函数、热点位置应力传递函数及热点位置应力过渡函数均为频域形式给出。

作为优选，数值分析中应力测点的位置与海上实测测点的位置对应、热点的位置与海上实测热点选取的位置对应。

作为优选，推测热点应力谱由实测的测点应力谱与热点应力过渡函数数值相乘所得。

作为优选，验证计算得到的推测热点应力谱，将推测热点应力谱与实测获取的热点应力谱进行验证分析，若两者相符，则进行后续的处理；若不相符，则需重新计算热点应力谱。

作为优选，还包括有，通过验证的推测热点应力谱与实测海浪谱经过数值分析进行全概率范围内的疲劳损伤评估，计算获得热点疲劳损伤，并且通过热点位置疲劳损伤与海上实测总时长估算半潜平台疲劳寿命。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过海上实测手段，监测得到实时海浪数据与应力数据，并利用谱分析方法，结合数值分析，得到结构热点位置疲劳损伤度，精确预报平台疲劳寿命，其综合利用实测与数值分析手段，为海上半潜平台的疲劳寿命提供高精度预报，有效保证平台作业过程中的安全使用性能要求，弥补了相关技术领域空白。

附图说明

图1为半潜平台疲劳损伤评估方法流程图；

图2为海上实测数据处理流程图；

图3为数值计算分析流程图；

图4为三个小时时域波浪数据图；

图5为三个小时时域应力数据图；

图6为频域海浪波高功率谱；

图7为频域应力功率谱；

图8为规则波下应力RAO；

图9为应力过渡函数图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例公开的一种结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，包括有以下步骤：

由半潜平台海上实测的海浪数据及测点应力数据，分别经时频转换得到对应的实测海浪谱及实测应力谱；

通过有限元软件对半潜平台进行数值分析得到测点应力和热点应力，由测点应力和热点应力计算得到热点应力过渡函数；

通过热点应力过渡函数和实测应力谱计算得到推测热点应力谱，并且结合实测海浪谱评估得到半潜平台疲劳损伤度。

具体的如图1所示，对目标半潜平台进行疲劳损伤评估，结合海上实测与数值分析。由海上实测手段得到实测的海浪谱、热点应力谱以及测点应力谱，其中热点指平台易发生破坏的危险节点。由数值分析手段得到频域内的测点处应力RAO(幅值相应算子)以及热点处应力RAO，并由测点应力RAO与热点应力RAO按照频率对应数值相除，计算得到热点应力过渡函数。推测热点应力谱可由测点应力谱与热点应力过渡函数数值相乘得到。验证计算得到的热点应力谱，若推测热点应力谱与热点应力谱对比相符，可进行下一步的数值分析，若不相符，则将热点应力谱重新修正。热点应力谱与推测热点应力谱的对比，关键是比对应力特征频率(即应力谱中，应力峰值对应的频率)与特征值(特征频率对应的应力幅值)是否相符，如果不相符，则在热点应力谱生成过程中，改变应力时域数据生成应力谱的选取参数。根据实测海浪谱与推测热点应力谱，结合疲劳分析数值分析手段，结合S-N曲线以及Miner线性累计损伤原则，进行疲劳损伤度计算，计算得到热点处疲劳损伤，并根据海上实测总时长，估算半潜平台疲劳寿命。估算方法中将半潜平台海上作业受环境波浪载荷作用的过程看作平稳随机过程，用海上实测总时长除以疲劳损伤度，即：L＝T/D，L是估算疲劳寿命，T是海上实测总时长，D是热点处疲劳损伤度。

如图2所示，在海上实测数据分析处理中，需考虑海浪数据与测点应力数据的利用方法。将海上实测的海浪数据连续分解处理为若干短期海况，且优选将海浪数据按时间历程每三小时处理成一个短期海况海浪时历数据，并依据时频转换方法，得到原始海浪谱。将测点应力数据也对应按照时间历程处理，与海浪数据按照时间关系对应，结合时频转换方法，得到原始测点应力谱，并参照线性外推法与半壁内外侧应力传递规律，得到热点推测应力数据。热点推测应力数据与海浪数据按照时间关系对应，结合时频转换方法得到原始测点推测应力谱。滤去原始海浪谱、原始测点应力谱与原始热点推测应力谱中的低频、高频信号，删去振动、噪声等影响，得到可用于数值分析的实测海浪谱、实测测点应力谱、实测热点应力谱。

如图3所示，在数值分析中，首先建立目标半潜平台的数值模型，并在模型中施加各个浪向、波频的单位波高规则波，求得测点位置应力传递函数，根据线性外推法及板壁双侧应力传递规律，计算得到平台热点位置应力传递函数。由测点位置应力传递函数与热点位置应力传递函数，计算得热点位置应力过渡函数，结合实测应力谱，求得热点位置推测应力谱，并结合实测海浪谱，得到热点位置处疲劳损伤。数值分析中应力测点的位置与海上实测测点的位置对应、热点的位置与海上实测热点选取的位置对应。测点位置应力传递函数、热点位置应力传递函数及热点位置应力过渡函数均为频域形式给出。

通过验证的推测热点应力谱与实测海浪谱经过数值分析进行全概率范围内的疲劳损伤评估，获得热点疲劳损伤，并且通过热点位置疲劳损伤与海上实测总时长估算半潜平台疲劳寿命。

为表述清楚，现举一具体实例：

对目标半潜平台进行疲劳损伤评估，结合海上实测与数值分析。海上实测中，可得到如图4与图5所示的时域波浪数据与时域应力数据。

经过FFT变换，得到频域内对应的实测海浪谱，形式如图6所示，测点应力谱以及热点应力谱(其中热点指平台易发生破坏的危险节点，其上的应力可由测点应力推算)，形式如图7。

数值分析中，首先建立目标半潜平台的有限元模型，对其施加对应各个浪向角与周期的规则波后，得到测点处与热点处的应力传递函数(幅值响应算子RAO)，形式如图8，将其应力传递函数对应相除，可得到热点处的应力过渡函数，形式如图9。推测热点应力谱可由海上实测中的测点应力谱与热点处应力过渡函数数值相乘计算得到。如果推测热点应力谱与海上实测中的热点应力谱能够在特征频率及对应特征值吻合(误差在5％以内)，则可进行后续的数值分析；若不相符，则在实测应力谱生成过程中，调整FFT变换及滤波参数，直到与推测热点应力谱相符。

在数值分析后续的疲劳分析中，将实测海浪谱与热点应力谱输入进有限元软件中，传统的方法是利用波浪散布图，本发明中，是将实测海浪数据输入，可保证精度，并输入疲劳分析的相关参数，即可计算出对应热点处的疲劳损伤度，选取最大的疲劳损伤度估算平台的总体疲劳寿命，即L＝T/D(L是估算疲劳寿命，T是海上实测总时长，D是热点处疲劳损伤度)。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是，包括有以下步骤：

由半潜平台海上实测的海浪数据及测点应力数据，分别经时频转换得到对应的实测海浪谱及实测应力谱；

通过有限元软件对半潜平台进行数值分析得到测点应力和热点应力，由测点应力和热点应力计算得到热点应力过渡函数；

通过热点应力过渡函数和实测应力谱计算得到推测热点应力谱，并且结合实测海浪谱评估得到半潜平台疲劳损伤度。

2.根据权利要求1所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是，对海上实测数据的分析处理具体包括有：

将海上实测的海浪数据按照时间历程连续分解处理为若干短期海况，且根据时频转换得到原始海浪谱；

海上实测的测点应力数据按照时间历程与短期海况对应处理，根据时频转换得到原始测点应力谱，并根据线性外推法与半壁内外侧应力传递规律得到热点推测应力数据；

将热点推测应力数据按照时间历程与短期海况对应处理，根据时频转换得到原始测点推测应力谱；

对原始海浪谱、原始测点应力谱、原始热点推测应力谱进行低高频信号滤波及噪声处理，分别得到实测海浪谱、实测测点应力谱及实测热点应力谱。

3.根据权利要求2所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是：海上实测的海浪数据按照时间历程每三个小时处理成一个短期海况。

4.根据权利要求2所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是，对半潜平台进行数值分析的具体过程如下：

建立目标半潜平台的数值模型；

在数值模型中施加各个浪向、波频的单位波高规则波，求得测点位置应力传递函数；

根据线性外推法及半壁双侧应力传递函数计算得到热点位置应力传递函数；

通过测点位置应力传递函数及热点位置应力传递函数计算得到热点位置应力过渡函数。

5.根据权利要求4所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是：测点位置应力传递函数、热点位置应力传递函数及热点位置应力过渡函数均为频域形式给出。

6.根据权利要求4所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是：数值分析中应力测点的位置与海上实测测点的位置对应、热点的位置与海上实测热点选取的位置对应。

7.根据权利要求4所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是：推测热点应力谱由实测测点应力谱与热点应力过渡函数数值相乘所得。

8.根据权利要求7所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是：验证计算得到的推测热点应力谱，将推测热点应力谱与实测获取的热点应力谱进行验证分析，若两者相符，则进行后续的处理；若不相符，则需重新计算热点应力谱。

9.根据权利要求8所述的结合海上实测与数值分析的半潜平台疲劳损伤评估方法，其特征是，还包括有：通过验证的推测热点应力谱与实测海浪谱经过数值分析进行全概率范围内的疲劳损伤评估，计算获得热点疲劳损伤，并且通过热点位置疲劳损伤与海上实测总时长估算半潜平台疲劳寿命。