CN112836402A - 海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，包括以下步骤：对结构物疲劳关键位置应力分析，找出其主要受载形式；建立疲劳关键位置有限元模型，得到疲劳热点处热点应力；远离疲劳热点处布置应变传感器，得到表征各简单受载形式的特征应力；根据各简单受载形式之间的线性关系，列应力转换方程得到转换矩阵；将结构物实际载荷监测的特征应力和转换矩阵相乘得到其实际载荷作用下的疲劳热点处应力。本发明的多轴疲劳应力监测方法采用在远离热点区域布置传感器，可一次性获得疲劳热点处的全部应力状态，得到监测结果可直接用于多轴疲劳评估，通过不同载荷线性组合相互叠加，在准确受力分析基础上可实现各种不同形式结构的疲劳应力监测。

Description

海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体而言，特别涉及一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法。

背景技术

海洋工程结构物长期处在复杂多变的海洋环境中，风浪的长期作用使得疲劳破坏成为了一种不可忽视的重要破坏形式。目前，工程上主要采用有限元法计算疲劳热点位置的应力状态，基于S-N曲线并结合谱分析方法对船舶与海洋工程结构进行疲劳寿命评估。然而，有限元模型以及约束条件的简化处理都会产生计算误差，各种误差的累积会使应力计算结果与结构真实的应力响应不符，从而使得疲劳评估结果呈现出很大的分散性。近年来，结构健康监测在工程上得到广泛的应用，利用在结构表面直接监测到的结构响应进行疲劳损伤评估，一方面可以节省大量的水动力计算和结构有限元分析的计算量，另一方面，直接监测得到的结构响应比数值分析结果更加接近结构的真实受力状态，因而能够更加准确的评估结构的疲劳强度。

目前，工程上用于疲劳评估的应力监测方法主要有两种：名义应力监测法和热点应力监测法。名义应力监测法通过测量远离疲劳热点处的名义应力，结合有限元计算或应力集中系数，得到疲劳热点应力。名义应力监测法具有便于测量的特点，适用于结构受力形式简单明确，应力集中系数确定的结构。但大多数海洋工程结构物受力形式、结构形式都很复杂，简单使用名义应力无法准确描述结构物所受的疲劳载荷，应力集中系数也很难确定，具有一定的局限性。热点应力监测法基于热点应力的插值特点，将传感器布置在热点应力插值点处，直接得到热点应力。然而使用热点应力法需要准确获取插值点处的应力，对传感器布置精度提出了很高的要求。另外，由于监测热点应力时传感器一般垂直于焊缝布置，只能得到热点处的单向应力分量，难以用于多轴疲劳寿命评估。

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采用在远离热点区域布置传感器，可一次性获得疲劳热点处的全部应力状态，得到监测结果可直接用于多轴疲劳评估，通过不同载荷线性组合相互叠加，在准确进行受力分析基础上可实现各种不同形式结构的疲劳应力监测的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法。

本发明提供一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，包括以下步骤：

S1、对结构物易产生疲劳破坏的疲劳关键位置进行应力分析，找出其在实际工作状态下的主要受载形式；

S2、建立疲劳关键位置的有限元模型，将分析得到的简单受载形式分别加载到结构物上，得到疲劳热点处的热点应力[σ_h]；

S3、在远离疲劳热点处布置应变传感器，得到可以表征各简单受载形式的特征应力[σ_e]；

S4、根据各简单受载形式之间的线性关系，列出应力转换方程，得到特征应力[σ_e]和热点应力[σ_h]之间的转换矩阵[C]；

S5、将所述结构物受实际载荷作用时监测得到的特征应力[σ_e,real]和计算得到的转换矩阵[C]相乘，得到实际载荷作用下结构物的疲劳热点处应力[σ_h,real]。

根据本发明的一个实施例，步骤S1中，所述结构物实际工作状态下的主要受载形式为弯曲、拉伸、扭转等简单载荷形式其中的一种或多种组合形式。

根据本发明的一个实施例，步骤S3中，针对具有多轴受力特点的疲劳关键位置，在远离该疲劳热点的区域布置多个传感器，以得到该疲劳热点处全部的应力分量进行多轴疲劳分析。

根据本发明的一个实施例，假定不同形式的受力为线性无关，则所述结构物在实际工作状态下的受力形式为各简单受力形式的线性组合。

根据本发明的一个实施例，步骤S4中，基于监测得到的特征应力向量[σ_e]和热点处应力向量[σ_h]的转换关系为：

[C]*[σ_e]＝[σ_h]

其中，

表示监测得到的第i个特征应力，

为第i个应力分量。

根据本发明的一个实施例，转换矩阵的计算方法如下：

[C]*[σ_E]＝[σ_H]

其中，

为在第j种简单受力形式作用下的第i个特征应力，

为第j个简单受力形式下热点处的第i个应力分量；[σ_E]、[σ_H]式表示结构实际受力情况分解为n种受力形式共同作用，每一种都会在热点处产生9个应力分量，则转换矩阵[C]的计算方法如下：

[C]＝[σ_H]*[σ_E]-¹。

本发明的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，采用在远离热点区域布置应变传感器的方法，可一次性获得疲劳热点处的全部应力状态，避免了热点应力必须在插值点处布置应变传感器导致无法获得全部应力状态的问题，并且得到的监测结果可直接用于多轴疲劳评估，符合疲劳评估方法从单轴向多轴的发展趋势；通过不同载荷的线性组合相互叠加，在进行准确受力分析基础上可实现各种不同形式结构物的疲劳应力监测，具有明确的物理意义，有效提高了疲劳寿命评估的准确性。

附图说明

图1是本发明提出的一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法的步骤流程示意图。

图2为本发明的具体实施例中的有限元模型图。

图3为本发明的具体实施例中的结构物局部形式的示意图。

附图标记：10-第一边界；20-第二边界；30-第三边界；40-第四边界；100-纵骨；200-横向强框架；300-舷侧外板。

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3所示，一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，包括以下步骤：

S100、对结构物易产生疲劳破坏的疲劳关键位置进行应力分析，找出其在实际工作状态下的主要受载形式；

S200、建立疲劳关键位置的有限元模型，将分析得到的简单受载形式分别加载到结构物上，得到疲劳热点处的热点应力[σ_h]；

S300、在远离疲劳热点处布置应变传感器，得到可以表征各简单受载形式的特征应力[σ_e]；

S400、根据各简单受载形式之间的线性关系，列出应力转换方程，得到特征应力[σ_e]和热点应力[σ_h]之间的转换矩阵[C]；

S500、将结构物受实际载荷作用时监测得到的特征应力[σ_e,real]和计算得到的转换矩阵[C]相乘，得到实际载荷作用下结构物的疲劳热点处应力[σ_h,real]。

本发明的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，采用在远离热点区域布置应变传感器的方法，可一次性获得疲劳热点处的全部应力状态，避免了热点应力必须在插值点处布置应变传感器导致无法获得全部应力状态的问题，并且得到的监测结果可直接用于多轴疲劳评估，符合疲劳评估方法从单轴向多轴的发展趋势；通过不同载荷的线性组合相互叠加，在进行准确受力分析基础上可实现各种不同形式结构物的疲劳应力监测，具有明确的物理意义，有效提高了疲劳寿命评估的准确性。

如图1所示，步骤S100中，结构物实际工作状态下的主要受载形式为弯曲、拉伸、扭转等简单载荷形式其中的一种或多种组合形式。

如图1所示，步骤S300中，针对具有多轴受力特点的疲劳关键位置，在远离该疲劳热点的区域布置多个传感器，以得到该疲劳热点处全部的应力分量进行多轴疲劳分析,；假定不同形式的受力为线性无关，则所述结构物在实际工作状态下的受力形式为各简单受力形式的线性组合。

如图1所示，步骤S400中，基于监测得到的特征应力向量[σ_e]和热点处应力向量[σ_h]的转换关系为：

[C]*[σ_e]＝[σ_h] (1)

其中，

表示监测得到的第i个特征应力，

为第i个应力分量；

其中，转换矩阵的计算方法如下：

[C]*[σ_E]＝[σ_H] (3)

其中，

为在第j种简单受力形式作用下的第i个特征应力，

为第j个简单受力形式下热点处的第i个应力分量；[σ_E]、[σ_H]式表示结构实际受力情况分解为n种受力形式共同作用，每一种都会在热点处产生9个应力分量，则转换矩阵[C]的计算方法如下：

[C]＝[σ_H]*[σ_E]^-1 (5)。

如图1至图3所示，本发明的一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法的具体实施例如下：

选取某一浮式生产储油卸油装置(FPSO)舷侧水线附近纵骨100与横向强框架200交界处为疲劳关键位置，其中与纵骨100相互平行、与横向强框架200相互垂直的为舷侧外板300，建立有限元模型，热点1、热点2处按照中国船级社规范(CCS规范)建模，网格大小为t×t(t为板厚)；

计算该FPSO在所处不同海况下的应力响应，使用子模型边界插值技术将全船有限元计算结果插值到子模型上，对子模型进行受力分析；

由分析结果得出，导致该结构物发生疲劳现象的主要载荷有：船体总纵弯曲产生的拉压载荷N，波浪载荷作用与外板产生的均布载荷Q，相邻强框架变形产生的弯曲载荷M，假定该构件在实际工作条件下所受到的所有载荷均为以上三种载荷的线性叠加；

将以上三种载荷以合理的方式加载到结构上，依照图3的边界标号，该构件在实际工作中的边界条件有以下特点：

第一边界10部分为与船体强框架连接处，六个自由度变形均较小，可设置为刚性固定；第二边界20部分为T型材与前后强框架连接处，主要变形为X方向位移，XY面内转角；第三边界30部分为与另一T型材交界处(线2宽度为肋位宽度)，为板格中心线，主要变形为XY面内变形；第四边界40部分变形主要为Y方向变形和XY面内转角；

依据以上边界条件分布特点，设置如下初始边界条件：

第一边界10、第二边界20刚性固定，第三边界30设置Z方向对称约束，第四边界40不作约束，拉压载荷N用限制第一边界10处X方向位移的方式模拟，弯曲载荷M由限制第一边界10处节点的转角和到中性层距离的方式模拟，均布载荷Q设置为外板上的均布压力；

确定基本载荷形式以及施加方式后，在远离热点处的合适位置确定应变传感器位置以及特征应力的表示形式，如图3所示，在远离热点处布置应变传感器，得到图中A、B处正应力和B处切应力数值：

σ_S1＝Ee_S1

定义腹板上正应力平均值σ_N，正应力梯度σ_M，切应力τ为特征应力，分别表征构件所受到的三种基本载荷；

σ_M＝σ_S2-σ_S1

τ＝τ_B (7)

对上述三种基本载荷单独作用下的结构物进行计算，得到特征应力矩阵[σ_E]：

平面应力状态下，热点处的应力状态可简化为：垂直焊缝正应力σ_h，⊥、平行焊缝的正应力σ_h，||、面内切应力τ_h三种应力分量，进而得到热点应力矩阵[σ_H]：

热点1、热点2处的应力转换矩阵由公式(5)计算得出。

其中，不同工况下监测得到的特征应力必然不同，但对于同一构件，应力转换矩阵[C]不会改变，只需将监测到的特征应力带入公式(1)中，即可得到实际载荷作用下疲劳热点处的应力状态，选取海况为迎浪，波高为1m，波浪频率为0.2rad/s～1.8rad/s的情况进行计算，误差分布在表1和表2中展示：

表1热点1处应力计算结果

表2热点2处应力计算结果

通过表1和表2中的结果可以看出，应用本发明方法得到的热点处各应力分量误差保持在2％以内，接近单轴受力状态的热点1数值较小的两个应力分量的计算误差依然保持在很小的水平上，因此本方法可以成功对结构进行多轴疲劳应力监测，得到满意的结果。

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 (6)

1.一种海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对结构物易产生疲劳破坏的疲劳关键位置进行应力分析，找出其在实际工作状态下的主要受载形式；

S2、建立疲劳关键位置的有限元模型，将分析得到的简单受载形式分别加载到结构物上，得到疲劳热点处的热点应力[σ_h]；

S3、在远离疲劳热点处布置应变传感器，得到可以表征各简单受载形式的特征应力[σ_e]；

S4、根据各简单受载形式之间的线性关系，列出应力转换方程，得到特征应力[σ_e]和热点应力[σ_h]之间的转换矩阵[C]；

S5、将所述结构物受实际载荷作用时监测得到的特征应力[σ_e,real]和计算得到的转换矩阵[C]相乘，得到实际载荷作用下结构物的疲劳热点处应力[σ_h,real]。

2.根据权利要求1所述的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，其特征在于，步骤S1中，所述结构物实际工作状态下的主要受载形式为弯曲、拉伸、扭转等简单载荷形式其中的一种或多种组合形式。

3.根据权利要求1所述的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，其特征在于，步骤S3中，针对具有多轴受力特点的疲劳关键位置，在远离该疲劳热点的区域布置多个传感器，以得到该疲劳热点处全部的应力分量进行多轴疲劳分析。

4.根据权利要求3所述的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，其特征在于，假定不同形式的受力是线性无关的，则所述结构物在实际工作状态下的受力形式为各简单受力形式的线性组合。

5.根据权利要求1-4任一项所述的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，其特征在于，步骤S4中，基于监测得到的特征应力向量[σ_e]和热点处应力向量[σ_h]的转换关系为：

[C]*[σ_e]＝[σ_h]

其中，

表示监测得到的第i个特征应力，

为第i个应力分量。

6.根据权利要求5所述的海洋工程结构物多轴疲劳应力监测方法，其特征在于，转换矩阵的计算方法如下：

[C]*[σ_E]＝[σ_H]

其中，

为在第j种简单受力形式作用下的第i个特征应力，

为第j个简单受力形式下热点处的第i个应力分量；[σ_E]、[σ_H]式表示结构实际受力情况分解为n种受力形式共同作用，每一种都会在热点处产生9个应力分量，则转换矩阵[C]的计算方法如下：

[C]＝[σ_H]*[σ_E]^-1。

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