CN112836401A - 提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，包括以下步骤：建立系泊链(缆)三维构型；海底边界构型建立；系泊链(缆)张力计算；系泊链(缆)中纤维缆动刚度的计算及引入；系泊链(缆)整体疲劳损伤评估；系泊链(缆)中关键链环损伤演变计算；系泊链(缆)中关键链环面外弯曲(OPB)疲劳损伤评估；系泊链(缆)中关键链环极限强度演变评估。本发明的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法通过建立一套考虑系泊链(缆)全寿命期内腐蚀磨损的疲劳强度安全评估和极限强度评估技术，以此来模拟更为真实和复杂的系泊环境条件，提高了计算分析的准确性和合理性。

Description

提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法

技术领域

本发明涉及海洋石油工程技术领域，具体而言，特别涉及一种提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法。

背景技术

随着海洋环境愈加复杂多变，探究领域不断地拓展，在进行系泊分析时须考虑更加真实而复杂的海况环境。对于绷紧式系泊系统，合成纤维缆索作为新型的系泊链(缆)形式在系泊过程中展现出优越的性能，但材料本身具备强烈的非线性特性，这极大地增加了平台系泊分析时的难度。其中动刚度是影响系泊张力的主要原因，因此有必要在常规的系泊动力响应分析研究中考虑动刚度特性的影响。对于悬链式系泊系统，系泊链(缆)在系泊状态下存在很长的拖地段，在传统的系泊分析研究中，海底边界通常被考虑为水平的理想情况，这显然无法真实地模拟复杂的地形条件。因此考虑复杂海底边界对于提高系泊分析的准确性是十分有意义的。

浮式平台在海面作业时受到风浪流载荷的联合作用会在水平面内发生偏移，此时复杂多变的环境载荷使系泊链(缆)产生交变应力，而这种交变应力周期性的累积效应极易造成系泊装置的破损及断裂，最终导致系泊系统的失效。常见的失效模式有两种，疲劳断裂和极限破断。受长期交变载荷作用影响，系泊链(缆)关键位置存在应力集中现象，容易发生疲劳现象；此外，在几十年的服役期间，系泊链(缆)受极端海况作用遭受较大的张力作用，当达到强度极限时易发生破断情况。针对以上问题，众多学者就系泊链(缆)疲劳损伤和极限强度分析方面开展了相关研究。但鲜有学者能将腐蚀磨损损伤考虑进系泊链(缆)强度演变的研究中来，无法在全寿命期内对系泊链(缆)进行真实可靠的安全评估。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。有鉴于此，本发明需要提供一种通过建立一套考虑系泊链(缆)全寿命期内腐蚀磨损的疲劳强度安全评估和极限强度评估技术，以此来模拟更为真实和复杂的系泊环境条件，提高计算分析的准确性和合理性的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法。

本发明提供一种提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，包括以下步骤：

S1、建立系泊链(缆)三维构型；

S2、海底边界构型建立；

S3、所述系泊链(缆)张力计算；

S4、所述系泊链(缆)中纤维缆动刚度的计算及引入；

S5、所述系泊链(缆)整体疲劳损伤评估；

S6、所述系泊链(缆)中关键链环损伤演变计算；

S7、所述系泊链(缆)中关键链环面外弯曲(OPB)疲劳损伤评估；

S8、所述系泊链(缆)中关键链环极限强度演变评估。

根据本发明的一个实施例，步骤S1中，采用Matlab软件编制求解系泊链(缆)静态构型程序，通过对系泊链(缆)节点进行静力分析计算和采用分段附属性的方式以及迭代求值的方式实现所述系泊链(缆)构型的三维仿真计算。

根据本发明的一个实施例，步骤S2中将复杂的所述海底边界考虑成大范围倾斜和局部坑洼两种情况，通过海床不同位置垂向高度来刻画复杂的海底样貌，据此在坐标系中建立海底边界方程z_bot如下式所示，并建立海底边界构型，

对于倾斜海底：

k_bot＝tanα

b_bot＝z₀-k_botx₀

z_bot＝k_botx+b_bot

式中，α为海底倾斜角，k_bot为计算的海底倾斜的斜率，b_bot为海底直线边界方程的截距，(x₀,z₀)为锚点的位置；

对于坑洼海底：

z_bot＝Asin[π/ω×(x-x₀)]+z₀

α＝atan(k_bot)

式中，A代表海底坑洼的深度，ω代表坑洼的宽度。

根据本发明的一个实施例，步骤S3中，通过Matlab软件编制用于系泊链(缆)动力响应分析的耦合迭代算法，通过输入系泊链(缆)顶端的运动时程来模拟浮体在海面上的运动，并将海流及Airy波的相关参数引入分析模型中计算流体载荷大小，根据牛顿-拉夫逊法，将节点运动的非线性方程线性化，形成简易的迭代格式，对每一时间步内系泊链(缆)张力结果反复迭代求解，完成时域范围内系泊链(缆)动张力的求解，其中，位移差分格式：

式中，x_i，

为节点i运动的位移，速度及加速度；

节点约束方程：

式中，E为弹性模量，A为系泊链(缆)的横截面积，两者相乘即为系泊链(缆)的刚度大小。

根据本发明的一个实施例，步骤S4中，基于绷紧式的系泊系统中的纤维缆存在复杂的动刚度特性，采用统计的原理计算平均张力和张力幅值的方法，并由此将动刚度的计算引入系泊分析模型中，其中动刚度的无量纲表达式为：

式中，E为弹性模量，L_m为平均张力占最小破断强度的百分比，L_a为张力幅值占最小破断强度的百分比，α、β、γ是与纤维缆结构特性相关的参数。

根据本发明的一个实施例，步骤S5中，基于动力响应分析程序得到节点张力时程曲线，通过Matlab软件编制雨流计数法程序对其进行数据处理，统计有效张力范围S和张力循环次数N_i，得到降雨均值直方图和降雨幅值直方图；依据T-N曲线进行单一短期海况的疲劳计算；基于Miner疲劳累积损伤理论，通过Matlab软件开发疲劳损伤的计算程序，得到系泊锚链的整体疲劳损伤，给出疲劳寿命建议，其中，基于T-N曲线法确定达到破坏所需的循环次数N_i：

NR^M＝K

式中，N为循环次数；R＝S/MBS，S为张力范围，MBS为最小破断强度；M和K为基本参数；当系泊链(缆)处于k级恒幅应力作用，其所受到的总疲劳损伤D为：

式中，n_i为某一应力范围下的实际循环次数，N_i为结构达到破坏所需要的应力循环次数，k为应力范围级数；系泊链(缆)在单一短期海况作用下的疲劳损伤D_j为：

式中，d_j为海况j一年内的作用时间，n_ij为海况j下第i张力的实际循环次数，N_i和k定义同上；单根系泊链(缆)在一年时间内的疲劳损伤为：

式中，D_j为单一海况j下系泊链(缆)的疲劳损伤，P_j为海况j在长期海况中的发生概率，n为长期海况离散个数；系泊链(缆)的计算疲劳寿命L为：

根据本发明的一个实施例，步骤S6中，进行疲劳损伤分析和极限强度演变分析前，采用锚链累计损伤分析方法对锚链进行损伤演变分析，计算得到的关键位置链环的张力时程曲线和链间转角时程曲线，在ANSYS有限元软件中完成锚链损伤演变计算，该计算公式为：

式中，h为锚链损伤深度，T为反馈周期，t₀为有限元计算时间段，k磨损系数，S表示滑移距离的局部增量，r₀为腐蚀速率。

根据本发明的一个实施例，步骤S7中，提取各服役阶段的系泊锚链损伤模型，采用热点应力法计算得到锚链面外弯曲(OPB)疲劳载荷下的热点应力并绘制应力时程曲线，依据S-N(参考BV规范)曲线，采用雨流计数法，基于Miner线性累计损伤准则，通过MATLAB软件计算得到系泊锚链的疲劳损伤，其中热点应力计算过程如下：

σ_H＝σ_T-T±σ_OPB

式中，σ_H表示锚链的热点应力，σ_T-T表示锚链的张力作用下的热点应力，σ_OPB表示锚链的OPB弯矩作用下的热点应力，σ_n,T-T表示锚链的张力作用下的名义应力，σ_n,OPB表示锚链的OPB弯矩作用下的名义应力，T表示锚链张力值，d表示锚链直径，SCF_T-T表示张力作用的热点应力集中系数，SCF_OPB表示弯矩作用的热点应力集中系数；

选定系泊锚链钢材S-N曲线如下所示：

n_c(S)＝a_DS^-m

式中，n_c(S)是应力范围循环次数，S是应力范围、单位是MPa，log(a_D)是S-N曲线截距，取12.436，m是S-N曲线的斜率，取3.0。

根据本发明的一个实施例，步骤S8中，提取各服役阶段的系泊锚链损伤模型，使用ANSYS有限元软件，采用逐步加载方式分别计算得到各服役阶段锚链的极限张力，绘制极限强度演变曲线，并通过对比安全系数完成极限强度评估。

根据本发明的一个实施例，锚链损伤演变计算整个计算过程包括以下四步：

第一步、输入参数：数值仿真需要定义的初始参数包括：材料属性、锚链尺寸、摩擦系数μ、有量纲的磨损系数k以及腐蚀速率r₀。另外还包括一些可调参数包括：工作载荷、总的磨损时间T_total、每步的腐蚀磨损时间增量，即反馈周期ΔT；

第二步、创建模型：在ANSYS有限元软件中输入初始参数之后，建立未腐蚀磨损的初始锚链有限元模型，对磨损面上每个磨损控制点进行储存与定位，之后划分局部细化网格，进行考虑接触非线性和材料非线性的多载荷步计算；

第三步、后处理：在后处理中计算各接触节点的接触压应力和相对滑移距离，根据公式：

计算得到一次反馈周期内的损伤量，储存各磨损控制点的损伤量并反馈到下一阶段的模型中；

第四步、根据损伤量修改模型，调整接触间隙保证接触面接触，再次进行有限元计算，直至完成服役年限的所有计算。

本发明的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法中，采用Matlab软件编制了用于系泊系统动力响应分析的源程序，考虑到系泊链(缆)在海水中因腐蚀磨损而产生的形变问题，通过对系泊链(缆)参数进行实时修正，提高了系泊分析的准确性；此外，在系泊链(缆)张力的求解过程中，针对基于纤维缆的绷紧式系泊系统，考虑到纤维缆的动刚度变化特性及其对系泊系统瞬时张力和构型的影响，将纤维缆的动刚度特性及复杂海底边界条件的影响引入了系泊分析模型中，进而模拟更为复杂的系泊环境条件；针对带有托地段式的悬链式系泊系统，考虑海底倾斜和坑洼形貌对托地段锚链受力和构型的影响，进行计算不同海底状态的系泊系统动力响应；基于雨流计数法、T-N曲线法、S-N曲线法及Miner疲劳累积损伤理论，针对系泊链(缆)最易发生的疲劳破坏和极限破坏问题，分别从整体及局部关键部位对系泊链(缆)进行综合评估分析，同时将系泊链(缆)的腐蚀和磨损影响引入评估计算中，旨在研究系泊锚链全生命期的疲劳累积损伤和极限强度演变问题，通过上述方法建立了一套考虑系泊链(缆)全寿命期内腐蚀磨损的疲劳强度安全评估和极限强度评估技术，以此来模拟更为真实和复杂的系泊环境条件，大大提高计算分析的准确性和合理性。

附图说明

图1是根据本发明的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法的步骤流程示意图。

图2为系泊链(缆)线几何构型迭代求解示意图。

图3为倾斜海底的系泊链(缆)构型图。

图4为坑洼海底的系泊链(缆)构型图。

图5为利用统计思想计算系泊链(缆)动刚度的示意图。

图6、图7和图8为系泊链(缆)顶端的运动时程示意图。

图9为系泊链(缆)的几何构型图。

图10为系泊链(缆)张力分布图。

图11为系泊链(缆)顶端位置的张力时程结果。

图12为系泊链(缆)顶端转角变化时程结果。

图13为受力最大系泊链(缆)张力降雨幅值直方图。

图14为受力最大系泊链(缆)张力降雨均值直方图。

图15为受力最大系泊链(缆)沿长度方向的疲劳损伤分布。

图16为局部关键链环有限元模型图。

图17为关键链环形貌的对比图。

图18为服役30年后磨损面形貌图。

图19为锚链全生命期极限张力衰减曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图19所示，一种提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，包括以下步骤：

S100、建立系泊链(缆)三维构型；

S200、海底边界构型建立；

S300、系泊链(缆)张力计算；

S400、系泊链(缆)中纤维缆动刚度的计算及引入；

S500、系泊链(缆)整体疲劳损伤评估；

S600、系泊链(缆)中关键链环损伤演变计算；

S700、系泊链(缆)中关键链环面外弯曲(OPB)疲劳损伤评估；

S800、系泊链(缆)中关键链环极限强度演变评估。

本发明的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法中，采用Matlab软件编制了用于系泊系统动力响应分析的源程序，考虑到系泊链(缆)在海水中因腐蚀磨损而产生的形变问题，通过对系泊链(缆)参数进行实时修正，提高了系泊分析的准确性；此外，在系泊链(缆)张力的求解过程中，针对基于纤维缆的绷紧式系泊系统，考虑到纤维缆的动刚度变化特性及其对系泊系统瞬时张力和构型的影响，将纤维缆的动刚度特性及复杂海底边界条件的影响引入了系泊分析模型中，进而模拟更为复杂的系泊环境条件；针对带有托地段式的悬链式系泊系统，考虑海底倾斜和坑洼形貌对托地段锚链受力和构型的影响，进行计算不同海底状态的系泊系统动力响应；随后，基于雨流计数法、T-N曲线法、S-N曲线法及Miner疲劳累积损伤理论，针对系泊链(缆)最易发生的疲劳破坏和极限破坏问题，分别从整体及局部关键部位对系泊链(缆)进行综合评估分析，同时将系泊链(缆)的腐蚀和磨损影响引入评估计算中，旨在研究系泊锚链全生命期的疲劳累积损伤和极限强度演变问题，通过上述方法建立了一套考虑系泊链(缆)全寿命期内腐蚀磨损的疲劳强度安全评估和极限强度评估技术，以此来模拟更为真实和复杂的系泊环境条件，从而大大提高计算分析的准确性和合理性。

如图1和图2所示，步骤S100中建立系泊链(缆)三维构型：

根据集中质量法将系泊链(缆)划分为若干个具有质量的节点，在三维空间内实现节点的静力分析，其中采用Matlab软件编制用于求解系泊链(缆)静态构型的程序，通过对系泊链(缆)节点进行静力分析计算相关的力学特性结果，生成包含模型节点坐标信息、系泊链(缆)单元长度信息及节点质量、张力分布情况等参数的结果文件，其中考虑到系泊链(缆)腐蚀和磨损的因素，根据服役年限同时采用分段附属性的方式对系泊链(缆)湿重、直径、刚度及重量等基本参数进行实时修正，最终采用迭代求值的方式求解系泊链(缆)的几何构型及张力分布，建立全方位的三维系泊链(缆)构型。

如图1、图3和图4所示，步骤S200中海底边界构型建立：

在传统的系泊分析研究中，海底边界通常被考虑为水平的理想情况，无法真实地模拟复杂的地形条件，在本发明中，将复杂海底地形考虑为大范围倾斜和局部坑洼两种情况，并建立了相应的海底边界构型，以此考虑更加真实而全面的海况条件，通过描述海床不同位置的垂向高度来刻画复杂的海底样貌，据此在坐标系中建立海底边界方程z_bot如下式所示，并最终建立海底边界构型，其中对于倾斜海底：

k_bot＝tanα

b_bot＝z₀-k_botx₀

z_bot＝k_botx+b_bot

式中，α为海底倾斜角，k_bot为计算的海底倾斜的斜率，b_bot为海底直线边界方程的截距，(x₀,z₀)为锚点的位置；

对于坑洼海底：

z_bot＝Asin[π/ω×(x-x₀)]+z₀

α＝atan(k_bot)

式中，A代表海底坑洼的深度，ω代表坑洼的宽度。

如图1所示，步骤S300中系泊链(缆)张力计算：

通过Matlab软件编制用于系泊链(缆)动力响应分析的耦合迭代算法，通过录入系泊链(缆)顶端的运动时程来模拟浮体在海面上的运动，并将海流及Airy波的相关参数引入分析模型中计算流体载荷大小；其中采用Houbolt差分格式来求解节点的非线性运动微分方程，进而以节点位移的差分格式推算下一时间步内节点运动的速度和加速度；随后，根据牛顿-拉夫逊法将非线性方程线性化，形成简易的迭代格式，对每一时间步系泊链(缆)的张力结果进行迭代计算，直至收敛后跳出循环，最终实现时域范围内系泊链(缆)张动力的求解，其中，

位移差分格式：

式中，x_i，

为节点i运动的位移，速度及加速度；

节点约束方程：

式中，E为弹性模量，A为系泊链(缆)的横截面积，两者相乘即为系泊链(缆)的刚度大小。

如图1和图5所示，步骤S400中系泊链(缆)中纤维缆动刚度的计算及引入：

鉴于纤维缆索作为新型的系泊链(缆)材料在交变载荷作用下存在强烈的动刚度特性，即绷紧式的系泊系统中的纤维缆存在复杂的动刚度特性，采用统计的原理，依据动刚度公式推导出纤维缆动刚度的无量纲表示方式，将过去预定时间段内的张力结果进行统计分析，根据判断计算得到平均张力和张力幅值的方法，并由此将动刚度的计算引入系泊分析模型中，其中动刚度的无量纲表达式为：

式中，E为弹性模量，L_m为平均张力占最小破断强度的百分比，L_a为张力幅值占最小破断强度的百分比，α、β、γ是与纤维缆结构特性相关的参数。

如图1、图13和图14所示，步骤S500中系泊链(缆)整体疲劳损伤评估：

基于系泊链(缆)动力响应分析程序而得到的某一节点张力时程曲线，通过Matlab软件编制雨流计数法程序对其进行张力循环统计，统计并求得有效张力循环次数n_i和张力范围S，得到降雨均值直方图和降雨幅值直方图；其次，判断节点所在位置，附以相应的系泊链(缆)材料属性，并基于T-N曲线法(参考API规范)进行单一短期海况的疲劳计算，确定达到破坏所需的循环次数N_i：

NR^M＝K

式中，N为循环次数；R＝S/MBS，S为张力范围，MBS为最小破断强度；M和K为基本参数，可采用美国API规范中的曲线参数；

再次，基于Miner疲劳累积损伤理论求解系泊链(缆)在长期海况下的疲劳累积总损伤。根据该理论，当系泊链(缆)处于k级恒幅应力作用，此时其所受到的总疲劳损伤D为：

式中，n_i为某一应力范围下的实际循环次数，N_i为结构达到破坏所需要的应力循环次数，k为应力范围级数；故系泊链(缆)在单一短期海况作用下的疲劳损伤D_j为：

式中，d_j为海况j一年内的作用时间，n_ij为海况j下第i张力的实际循环次数，N_i和k定义同上；

最后，按照交变应力范围的离散型模型，将长期海况离散，则单根系泊链(缆)在一年时间内的疲劳损伤为：

式中，D_j为单一海况j下系泊链(缆)的疲劳损伤，P_j为海况j在长期海况中的发生概率，n为长期海况离散个数；

继而可得，系泊链(缆)的计算疲劳寿命L为：

基于上述理论进行整体疲劳强度分析，并探究该系泊系统的疲劳损伤沿长度方向上的分布规律，给出疲劳寿命建议。

如图1、图11和图12所示，步骤S600中系泊链(缆)中关键链环损伤演变计算：

进行疲劳损伤分析和极限强度演变分析前，先对锚链进行损伤演变分析，采用锚链累计损伤分析方法，考虑腐蚀和磨损的耦合作用，根据计算得到的关键位置链环的张力时程曲线和链间转角时程曲线，在ANSYS有限元软件中完成锚链损伤演变计算，该计算公式为：

式中，h为锚链损伤深度，T为反馈周期，t₀为有限元计算时间段，k磨损系数，S表示滑移距离的局部增量，r₀为腐蚀速率。

其中锚链损伤演变计算整个计算过程包括以下四步：

第一步、输入参数：数值仿真需要定义的初始参数包括：材料属性、锚链尺寸、摩擦系数μ、有量纲的磨损系数k以及腐蚀速率r₀。另外还包括一些可调参数包括：工作载荷、总的磨损时间T_total、每步的腐蚀磨损时间增量，即反馈周期ΔT；

第二步、创建模型：在ANSYS有限元软件中输入初始参数之后，建立未腐蚀磨损的初始锚链有限元模型，对磨损面上每个磨损控制点进行储存与定位，之后划分局部细化网格，进行考虑接触非线性和材料非线性的多载荷步计算；

第三步、后处理：在后处理中计算各接触节点的接触压应力和相对滑移距离，根据公式：

计算得到一次反馈周期内的损伤量，储存各磨损控制点的损伤量并反馈到下一阶段的模型中；

第四步、根据损伤量修改模型，调整接触间隙保证接触面接触，再次进行有限元计算，直至完成服役年限的所有计算。

如图1至图19所示，步骤S700中系泊链(缆)中关键链环面外弯曲(OPB)疲劳损伤评估：

分别针对各个服役阶段的锚链损伤模型，采用基于时域分析的热点应力法进行面外弯曲(OPB)疲劳寿命预测，首先计算得到热点处的张力应力集中系数和弯曲应力集中系数，根据张力时程曲线和转角时程曲线计算得到热点处的总应力时程曲线，然后采用雨流计数法对应力时程进行数值统计，采用S-N曲线(参考BV规范)计算得到锚链的疲劳寿命，最后采用Miner线性累积损伤准则计算全寿命期内锚链的总损伤，完成锚链在服役期内的总疲劳损伤评估，其中热点应力计算过程如下：

σ_H＝σ_T-T±σ_OPB

式中，σ_H表示锚链的热点应力，σ_T-T表示锚链的张力作用下的热点应力，σ_OPB表示锚链的OPB弯矩作用下的热点应力，σ_n,T-T表示锚链的张力作用下的名义应力，σ_n,OPB表示锚链的OPB弯矩作用下的名义应力，T表示锚链张力值，d表示锚链直径，SCF_T-T表示张力作用的热点应力集中系数，SCF_OPB表示弯矩作用的热点应力集中系数；

选定系泊锚链钢材S-N曲线(根据DNVGL-RP-C203规范)如下所示：

n_c(S)＝a_DS^-m

式中，n_c(S)是应力范围循环次数，S是应力范围、单位是MPa，log(a_D)是S-N曲线截距，取12.436，m是S-N曲线的斜率，取3.0。

如图1至图19所示，步骤S800中系泊链(缆)中关键链环极限强度演变评估：

以材料的第四强度理论为依据，锚链在拉伸外载作用下，当某一位置von Mises(屈服准则)等效应力大于材料给定的极限强度时，认为锚链结构发生破坏，此时对应的拉伸张力定义为锚链的极限强度，采用ANSYS有限元软件计算锚链的极限张力，用极限张力变化表示锚链极限强度的演变，在数值模拟过程中，根据系泊锚链服役的真实海洋环境计算得到边界条件，考虑弹塑性材料本构关系和接触非线性，考虑锚链全生命期内腐蚀和磨损的结构损伤，进行非线性有限元数值模拟计算，提取各锚链损伤模型采用逐步加载的方式计算极限张力，当最大等效应力值达到极限强度时得到极限张力，如果计算结果不收敛，则缩短载荷子步重新计算，最终得到不同损伤程度下的系泊锚链极限张力演变规律，定义安全系数a，b如下所示，用来评估锚链局部模型是否安全，当a和b小于规定的许用安全系数时，认为结构不安全，其中

式中，F_b为本方法得到的破断极限张力，F_max为实际海况下的最大张力。

如图1至图19所示，根据本发明一种具体实施例：

以一个悬链式系泊系统为例，系泊链(缆)材料为锚链和钢缆，具体的参数如表1所示，其中在系泊链(缆)顶端施加位移驱动条件如图6所示，并考虑海浪条件为波高0.995m，周期5.885s，按照上述方式，对单根系泊链(缆)进行动力响应分析以及疲劳损伤和极限强度的评估计算。

表1系泊链(缆)基本参数

设置上述信息，通过自编Matlab程序首先对系泊系统进行静力计算，求解得到系泊链(缆)的静态构型及张力分布如图9和图10所示；导入系泊链(缆)顶端的运动时程结果后，计算得到系泊链(缆)顶端的动张力及链环转角变化结果，如图11和图12所示。

运用雨流计数法，通过matlab编程对张力时程结果进行数据处理，得到受力最大系泊链(缆)的张力降雨幅值直方图和均值直方图，如图13和图14所示；其次，参考美国API规范中设置参数，如表2所示，基于T-N曲线法和Miner疲劳累积损伤理论，得到系泊链(缆)沿长度方向的疲劳损伤分布，如图15所示；最终得到疲劳总损伤，给出疲劳寿命建议。

表2API设计曲线参数

在ANSYS有限元软件中建立局部关键链环有限元模型，如图16所示(图中XYZ表示关键链环为ANSYS有限元软件的三维坐标系中建立的)，根据实际海况的计算结果作为外载荷，采用锚链累积损伤数值模拟方法，计算得到关键链环的损伤演变模型，如图17、图18所示(图中XYZ表示关键链环为ANSYS有限元软件的三维坐标系中建立的)，之后提取各损伤模型，采用上述热点应力法计算得到锚链全生命期的疲劳损伤并进行评估；采用逐步加载方法计算得到锚链全生命期的极限张力如图19所示，并通过安全系数完成安全评估。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立系泊链(缆)三维构型；

S2、海底边界构型建立；

S3、所述系泊链(缆)张力计算；

S4、所述系泊链(缆)中纤维缆动刚度的计算及引入；

S5、所述系泊链(缆)整体疲劳损伤评估；

S6、所述系泊链(缆)中关键链环损伤演变计算；

S7、所述系泊链(缆)中关键链环面外弯曲(OPB)疲劳损伤评估；

S8、所述系泊链(缆)中关键链环极限强度演变评估。

2.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S1中，采用Matlab软件编制求解系泊链(缆)静态构型程序，通过对系泊链(缆)节点进行静力分析计算和采用分段附属性的方式以及迭代求值的方式实现所述系泊链(缆)构型的三维仿真计算。

3.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S2中将复杂的所述海底边界考虑成大范围倾斜和局部坑洼两种情况，通过海床不同位置垂向高度来刻画复杂的海底样貌，据此在坐标系中建立海底边界方程z_bot如下式所示，并建立海底边界构型，

对于倾斜海底：

k_bot＝tanα

b_bot＝z₀-k_botx₀

z_bot＝k_botx+b_bot

式中，α为海底倾斜角，k_bot为计算的海底倾斜的斜率，b_bot为海底直线边界方程的截距，(x₀，z₀)为锚点的位置；

对于坑洼海底：

z_bot＝Asin[π/ω×(x-x₀)]+z₀

α＝a tan(k_bot)

式中，A代表海底坑洼的深度，ω代表坑洼的宽度。

4.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S3中，通过Matlab软件编制用于系泊链(缆)动力响应分析的耦合迭代算法，通过输入系泊链(缆)顶端的运动时程来模拟浮体在海面上的运动，并将海流及Airy波的相关参数引入分析模型中计算流体载荷大小，根据牛顿-拉夫逊法，将节点运动的非线性方程线性化，形成简易的迭代格式，对每一时间步内系泊链(缆)张力结果反复迭代求解，完成时域范围内系泊链(缆)动张力的求解，其中，位移差分格式：

式中，x_i，

为节点i运动的位移，速度及加速度；

节点约束方程：

式中，E为弹性模量，A为系泊链(缆)的横截面积，两者相乘即为系泊链(缆)的刚度大小。

5.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S4中，基于绷紧式的系泊系统中的纤维缆存在复杂的动刚度特性，采用统计的原理计算平均张力和张力幅值的方法，并由此将动刚度的计算引入系泊分析模型中，其中动刚度的无量纲表达式为：

式中，E为弹性模量，L_m为平均张力占最小破断强度的百分比，L_a为张力幅值占最小破断强度的百分比，α、β、γ是与纤维缆结构特性相关的参数。

6.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S5中，基于动力响应分析程序得到节点张力时程曲线，通过Matlab软件编制雨流计数法程序对其进行数据处理，统计有效张力范围S和张力循环次数N_i，得到降雨均值直方图和降雨幅值直方图；依据T-N曲线进行单一短期海况的疲劳计算；基于Miner疲劳累积损伤理论，通过Matlab软件开发疲劳损伤的计算程序，得到系泊锚链的整体疲劳损伤，给出疲劳寿命建议，其中，基于T-N曲线法确定达到破坏所需的循环次数N_i：

NR^M＝K

式中，N为循环次数；R＝S/MBS，S为张力范围，MBS为最小破断强度；M和K为基本参数；当系泊链(缆)处于k级恒幅应力作用，其所受到的总疲劳损伤D为：

式中，n_i为某一应力范围下的实际循环次数，N_i为结构达到破坏所需要的应力循环次数，k为应力范围级数；系泊链(缆)在单一短期海况作用下的疲劳损伤D_j为：

式中，d_j为海况j一年内的作用时间，n_ij为海况j下第i张力的实际循环次数，N_i和k定义同上；单根系泊链(缆)在一年时间内的疲劳损伤为：

式中，D_j为单一海况j下系泊链(缆)的疲劳损伤，P_j为海况j在长期海况中的发生概率，n为长期海况离散个数；系泊链(缆)的计算疲劳寿命L为：

7.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S6中，进行疲劳损伤分析和极限强度演变分析前，采用锚链累计损伤分析方法对锚链进行损伤演变分析，计算得到的关键位置链环的张力时程曲线和链间转角时程曲线，在ANSYS有限元软件中完成锚链损伤演变计算，该计算公式为：

式中，h为锚链损伤深度，T为反馈周期，t₀为有限元计算时间段，k磨损系数，S表示滑移距离的局部增量，r₀为腐蚀速率。

8.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S7中，提取各服役阶段的系泊锚链损伤模型，采用热点应力法计算得到锚链面外弯曲疲劳载荷下的热点应力并绘制应力时程曲线，依据S-N曲线，采用雨流计数法，基于Miner线性累计损伤准则，通过MATLAB软件计算得到系泊锚链的疲劳损伤，其中热点应力计算过程如下：

σ_H＝σ_T-T±σ_OPB

式中，σ_H表示锚链的热点应力，σ_T-T表示锚链的张力作用下的热点应力，σ_OPB表示锚链的OPB弯矩作用下的热点应力，σ_n，T-T表示锚链的张力作用下的名义应力，σ_n，OPB表示锚链的OPB弯矩作用下的名义应力，T表示锚链张力值，d表示锚链直径，SCF_T-T表示张力作用的热点应力集中系数，SCF_OPB表示弯矩作用的热点应力集中系数；

选定系泊锚链钢材S-N曲线如下所示：

n_c(S)＝a_DS^-m

式中，n_c(S)是应力范围循环次数，S是应力范围、单位是MPa，log(a_D)是S-N曲线截距，取12.436，m是S-N曲线的斜率，取3.0。

9.根据权利要求1所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，步骤S8中，提取各服役阶段的系泊锚链损伤模型，使用ANSYS有限元软件，采用逐步加载方式分别计算得到各服役阶段锚链的极限张力，绘制极限强度演变曲线，并通过对比安全系数完成极限强度评估。

10.根据权利要求8所述的提高复杂环境条件下系泊系统安全性的分析方法，其特征在于，锚链损伤演变计算整个计算过程包括以下四步：

第一步、输入参数：数值仿真需要定义的初始参数包括：材料属性、锚链尺寸、摩擦系数μ、有量纲的磨损系数k以及腐蚀速率r₀。另外还包括一些可调参数包括：工作载荷、总的磨损时间T_total、每步的腐蚀磨损时间增量，即反馈周期ΔT；

第二步、创建模型：在ANSYS有限元软件中输入初始参数之后，建立未腐蚀磨损的初始锚链有限元模型，对磨损面上每个磨损控制点进行储存与定位，之后划分局部细化网格，进行考虑接触非线性和材料非线性的多载荷步计算；

第三步、后处理：在后处理中计算各接触节点的接触压应力和相对滑移距离，根据公式：

计算得到一次反馈周期内的损伤量，储存各磨损控制点的损伤量并反馈到下一阶段的模型中；

第四步、根据损伤量修改模型，调整接触间隙保证接触面接触，再次进行有限元计算，直至完成服役年限的所有计算。

Images