CN113283125A - 一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，涉及系泊系统设计与安全评估领域，包括数据获取、疲劳分析并依据疲劳损伤计算结果对内转塔系泊系统进行评估结果更新，本发明可有效利用位置监测技术、水下检修技术、环境监测技术等采集的检测信息，建立数据库储存监测数据信息，并通过总结的公式算法对内转塔系泊系统进行评估结果更新，进而精确推算出内转塔系泊系统的剩余寿。

Description

一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法
技术领域
本发明涉及系泊系统设计与安全评估领域，尤其涉及一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法。
背景技术
在海洋工程领域，海洋工程结构物通过系泊系统定位，通常服役时间较长且在服役期内受到风、浪、海流等的联合作用，系泊系统承受交变载荷作用，疲劳失效是其最常见的失效模式；在传统的疲劳评估过程中，仅在设计阶段进行一次评估以验证权构件在全周期内的疲劳性能；但在设计阶段，可获取的计算数据较少，需要假设结构物遭遇的海洋环境载荷，而构件所受到载荷通常通过模型试验、有限元数值模拟等方式获得；这种方式得到的载荷与构件实际遭遇显然存在差异，且在当前，海洋结构物的位置监测技术、水下检修技术、环境监测技术等日益发达，可以为疲劳评估提供更丰富、更准确的数据源，但是在现有的设计阶段能够简单估算疲劳失效的前提下，本领域技术人员并不存在利用该类基础数据的动机。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现：一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，包括以下步骤：
S1、数据获取，采集数据并建立数据库，数据库包括腐蚀数据库、位置数据库、载荷数据库以及环境数据库；
S2、疲劳分析，通过获取的数据建立并更新腐蚀量经验公式，并进行疲劳损伤计算；
S3、依据疲劳损伤计算结果对内转塔系泊系统进行评估结果更新。
根据上述技术方案，优选地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、腐蚀数据库的建立：对内转塔系泊系统的关键节点保存腐蚀位置、腐蚀深度、腐蚀形貌信息，形成腐蚀数据库；
S12、位置数据库的建立：通过定位系统实时获取海洋结构物的实时艏向角、横摇、纵摇以及测点经度、纬度、高度数据，形成位置数据库；
S13、载荷数据库的建立：通过水动力数值模拟软件建立完整的系泊系统模型，对海洋结构物处于不同位置情况下的内转塔系泊系统构件载荷进行静态、动态计算；
S14、环境数据库的建立：对内转塔系泊系统服役海域的风、波浪、海流的相关数据进行实时监测，并形成环境数据库。
根据上述技术方案，优选地，步骤S14的环境数据库包括风力数据库、波浪数据库以及海流数据库。
根据上述技术方案，优选地，步骤S13，通过模型试验、实际测量的方法对得到的载荷数据库的数据进行验证。
根据上述技术方案，优选地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、腐蚀量经验公式的获取；
S22、腐蚀量的构件T-N曲线的获取；
S23、计算构件载荷时程，通过对步骤S12中得到的位置数据库中时域位置信息进行三维旋转运算得到内转塔的时域坐标；使用内转塔中心坐标在S13的载荷数据库中进行插值，即得到各节点的拉力载荷，对每时点重复该计算得到构件载荷时程；
S24、计算疲劳载荷数据，根据载荷时段对应的环境数据对步骤S23中得到的构件的载荷时程进行分段，分段后的载荷时程具有相应的环境属性，采用雨流计数法对各分段的载荷时程进行计数，得到单位时间内构件的载荷变程分布，作为构件的疲劳载荷数据；
S25、计算构件疲劳损伤，应用步骤S22中的T-N曲线计算步骤S24得到的载荷变程分布的各级载荷疲劳损伤，并基于Miner累积损伤原则对损伤进行加和，得到单位时间的构件疲劳损伤值。
根据上述技术方案，优选地，步骤S3，对于未来服役期间，对步骤S14得到的环境数据库内的数据进行统计分析，得到内转塔系泊系统服役海域的风、浪、流联合分布，并推断此环境分布在未来服役期间保持稳定，根据环境分布概率对步骤S25单位时间构件的疲劳损伤值进行加权平均，得到单位时间平均损伤值，根据其与剩余损伤之间的关系计算得到内转塔系泊系统的剩余寿命。
本发明的有益效果是：本发明可有效利用现有发展的位置监测技术、水下检修技术、环境监测技术等采集的检测信息，建立数据库储存监测数据信息，并通过总结的公式算法对内转塔系泊系统进行评估结果更新，进而精确推算出内转塔系泊系统的剩余寿命。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的总流程示意图。
图2示出了根据本发明的实施例的详细流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
如图所示，本发明提供了一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，包括以下步骤：
S1、数据获取，采集数据并建立数据库，数据库包括腐蚀数据库、位置数据库、载荷数据库以及环境数据库；
S2、疲劳分析，通过获取的数据建立并更新腐蚀量经验公式，并进行疲劳损伤计算；
S3、依据疲劳损伤计算结果对内转塔系泊系统进行评估结果更新。
根据上述技术方案，优选地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、腐蚀数据库的建立：通过水下检测技术对内转塔系泊系统的关键节点进行检测，并保存关键节点的腐蚀位置、腐蚀深度、腐蚀形貌等腐蚀信息，形成腐蚀数据库，整理每次检测中多个关键节点的腐蚀信息，尤其是腐蚀深度信息，由于对所有节点检测的成本过高，但出于保守考虑，需要保存腐蚀较为严重的关键节点；
S12、位置数据库的建立：通过定位系统实时获取海洋结构物的实时艏向角、横摇、纵摇（三维转动）以及测点经度、纬度、高度（三维坐标）等数据，理论采样周期1秒，进而形成位置数据库；
S13、载荷数据库的建立：通过水动力数值模拟软件建立包括海洋结构物设计数据、海况数据等完整的内转塔系泊系统模型，对海洋结构物处于不同位置情况下的内转塔系泊系统构件载荷进行静态、动态计算，其中水动力数值模拟软件的输入参数是海洋结构物设计数据以及海况数据，输出系泊系统关键节点所受拉力，并保存拉力与内转塔中心的三维坐标的对应关系，建立载荷数据库；
S14、环境数据库的建立：对内转塔系泊系统服役海域的风、波浪、海流的相关数据进行实时监测，并形成环境数据库。
根据上述实施例，优选地，步骤S14的环境数据库包括风力数据库、波浪数据库以及海流数据库，风力数据库可保存海域约10米高处的实时风力数据，理论采样周期1秒；波浪数据库保存工作海域表面风浪的实时数据并进行基础处理以得到波高和波浪周期，理论采样周期60秒；海流数据库保存工作海域不同深度的海流切片实时数据，理论采样周期60秒。
根据上述实施例，优选地，步骤S13，通过模型试验、实际测量的方法对得到的载荷数据库的数据进行验证。
根据上述实施例，优选地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、腐蚀量经验公式的获取：根据腐蚀数据库中多个时间点的关键位置腐蚀深度，对腐蚀速率进行估算，选取适当的腐蚀速率模型，本实时例选择双线性模型
Figure 980984DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 101387DEST_PATH_IMAGE002
为第1年的平均腐蚀深度、
Figure 959752DEST_PATH_IMAGE003
为1年后的稳定腐蚀速度，结合工程经验与曲线拟合方法对其中参数
Figure 948437DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 231651DEST_PATH_IMAGE003
进行估算，t是时间参数，当腐蚀数据库更新时，需对当前腐蚀速率模型的准确度进行评估，对其参数进行修正。
S22、考虑腐蚀量的构件T-N曲线的获取：原T-N曲线形式为
Figure 132742DEST_PATH_IMAGE004
，表示疲劳寿命随载荷变化，其中N是载荷次数，则单次循环造成的损伤为
Figure 868617DEST_PATH_IMAGE005
,其中
Figure 395413DEST_PATH_IMAGE006
为载荷变程
Figure 408499DEST_PATH_IMAGE007
与最小破断强度MBS（使系泊构件断裂的最小载荷）的比值；考虑参数M、K随腐蚀的变化，即在某腐蚀量c下，单次循环造成的损伤为
Figure 870705DEST_PATH_IMAGE008
，根据腐蚀量经验公式，腐蚀量c仅与暴露时间相关，则单次循环造成的损伤也与时间相关，即为
Figure 218509DEST_PATH_IMAGE009
，解耦简化为
Figure 424363DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 26377DEST_PATH_IMAGE011
即为腐蚀导致的疲劳累积速度变化参数，则考虑腐蚀量的构件T-N曲线可表示为
Figure 925063DEST_PATH_IMAGE012
；
S23、计算构件载荷时程：读取S12中位置数据库的海洋结构物的三维坐标和三维转动，通过现有的三维空间的旋转运算，可以得到每个监测时间点内转塔中心的坐标：
Figure 494584DEST_PATH_IMAGE013
其中：
Figure 113915DEST_PATH_IMAGE014
为内转塔中心坐标；
Figure 226228DEST_PATH_IMAGE015
为测点坐标；
Figure 889290DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 87054DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 510076DEST_PATH_IMAGE018
为绕z、y、x轴转动的旋转矩阵；
Figure 476895DEST_PATH_IMAGE019
为测点与内转塔中心的相对位置（三维转动角度均为零时）。
使用算得的内转塔中心坐标在S13的载荷数据库中进行插值，即得到各节点的拉力载荷，对每时点重复该计算得到构件载荷时程；
S24、计算疲劳载荷数据：根据载荷时段对应的环境数据对步骤S23中得到的构件载荷时程进行分段，分段后的载荷时程具有相应的环境属性，即将海洋环境根据各项环境指标划分为从平稳到剧烈的多个环境等级
Figure 576438DEST_PATH_IMAGE020
，且根据此等级将构件载荷时程划分为数个时段
Figure 871284DEST_PATH_IMAGE021
，使每个时段仅处于一个环境等级下且每个分段的时长不宜过长；应用雨流计数法分别对每个时段的构件载荷时程进行计数，得到每个时段的载荷次数
Figure 222631DEST_PATH_IMAGE022
；在每个环境等级
Figure 168590DEST_PATH_IMAGE020
内，根据分段时长对每个分段载荷次数加权平均可以得到环境等级
Figure 579980DEST_PATH_IMAGE020
对应的单位时长载荷次数
Figure 96543DEST_PATH_IMAGE023
为：
Figure 845056DEST_PATH_IMAGE024
；
其中
Figure 786467DEST_PATH_IMAGE025
为时段长度，
Figure 244125DEST_PATH_IMAGE026
为环境等级
Figure 638197DEST_PATH_IMAGE020
对应的时段总时长；
进而实现了采用雨流计数法对各分段的载荷时程进行计数，得到单位时间内构件载荷变程分布，作为构件的疲劳载荷数据；
S25、计算构件疲劳损伤：应用步骤S22中的T-N曲线计算步骤S24得到的载荷变程分布的各级载荷疲劳损伤，并基于Miner累积损伤原则对损伤进行加和，得到单位时间构件的疲劳损伤值。
根据S24中得到的环境等级
Figure 190401DEST_PATH_IMAGE020
对应的单位时长载荷变程分布对疲劳损伤进行计算，得到各环境等级
Figure 720740DEST_PATH_IMAGE020
不考虑腐蚀的单位时长构件的疲劳损伤值
Figure 349298DEST_PATH_IMAGE027
为：
Figure 230666DEST_PATH_IMAGE028
；
代入S22得到的考虑腐蚀量的构件T-N曲线，则考虑腐蚀的单位时长构件的疲劳损伤值为
Figure 586561DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 112352DEST_PATH_IMAGE030
类似地，考虑腐蚀量的当前疲劳损伤值
Figure 770866DEST_PATH_IMAGE031
可计算为：
Figure 264165DEST_PATH_IMAGE032
根据上述实施例，优选地，步骤S3，对于未来服役期间，对步骤S14得到的环境数据库内的数据进行统计分析，得到内转塔系泊系统服役海域的风、浪、流联合分布，并推断此环境分布在未来服役期间保持稳定，根据环境分布概率对步骤S25单位时间构件的疲劳损伤值进行加权平均，得到单位时间平均损伤值，根据其与剩余损伤之间的关系计算得到内转塔系泊系统的剩余寿命。
通过对S14中的环境数据库进行统计，得到每个环境等级
Figure 299117DEST_PATH_IMAGE020
对应的出现概率
Figure 679413DEST_PATH_IMAGE033
，根据相对Miner原理，则解此方程可即可得到构件疲劳寿命
Figure 508829DEST_PATH_IMAGE034
：
Figure 489424DEST_PATH_IMAGE035
其中：
Figure 328067DEST_PATH_IMAGE036
为临界疲劳损伤；
Figure 562870DEST_PATH_IMAGE037
为当前时间；
该公式的等号左侧式表示基于预测的腐蚀速率、疲劳累积速率，从当前服役时长
Figure 687821DEST_PATH_IMAGE037
开始到疲劳寿命
Figure 765498DEST_PATH_IMAGE034
所累积的疲劳损伤；等号右侧式表示当前状态构件尚能承受的疲劳损伤值。
到此即完成了一次完整的数据库建立及疲劳寿命计算，但在数据库更新的过程中，不需要更新全部计算数据，只需更新变动的数据库沿计算数据流后部的信息即可；并且针对S12中位置数据库的增加，S23中的载荷时程、S24中的疲劳载荷数据只需计算增加的部分，可以有效减小重复计算的时间，实现评估结果的更新。
本发明的有益效果是：本发明可有效利用现有发展的位置监测技术、水下检修技术、环境监测技术等采集的检测信息，建立数据库储存监测数据信息，并通过总结的公式算法对内转塔系泊系统进行评估结果更新，进而精确推算出内转塔系泊系统的剩余寿命。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、数据获取，采集数据并建立数据库，数据库包括腐蚀数据库、位置数据库、载荷数据库以及环境数据库；
S2、疲劳分析，通过获取的数据建立并更新腐蚀量经验公式，并进行疲劳损伤计算；
S3、依据疲劳损伤计算结果对内转塔系泊系统进行评估结果更新。
2.根据权利要求1所述的一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，其特征在于，步骤S1包括以下分步骤：
S11、腐蚀数据库的建立：对内转塔系泊系统的关键节点保存腐蚀位置、腐蚀深度、腐蚀形貌信息，形成腐蚀数据库；
S12、位置数据库的建立：通过定位系统实时获取海洋结构物的实时艏向角、横摇、纵摇以及测点经度、纬度、高度数据，形成位置数据库；
S13、载荷数据库的建立：通过水动力数值模拟软件建立完整的系泊系统模型，对海洋结构物处于不同位置情况下的内转塔系泊系统构件载荷进行静态、动态计算；
S14、环境数据库的建立：对内转塔系泊系统服役海域的风、波浪、海流的相关数据进行实时监测，并形成环境数据库。
3.根据权利要求2所述的一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，其特征在于，步骤S14的环境数据库包括风力数据库、波浪数据库以及海流数据库。
4.根据权利要求3所述的一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，其特征在于，步骤S13，通过模型试验、实际测量的方法对得到的载荷数据库的数据进行验证。
5.根据权利要求4所述的一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，其特征在于，步骤S2包括以下分步骤：
S21、腐蚀量经验公式的获取；
S22、腐蚀量的构件T-N曲线的获取；
S23、计算构件载荷时程，通过对步骤S12中得到的位置数据库中时域位置信息进行三维旋转运算得到内转塔的时域坐标；使用内转塔中心坐标在S13的载荷数据库中进行插值，即得到各节点的拉力载荷，对每时点重复该计算得到构件载荷时程；
S24、计算疲劳载荷数据，根据载荷时段对应的环境数据对步骤S23中得到的构件的载荷时程进行分段，分段后的载荷时程具有相应的环境属性，采用雨流计数法对各分段的载荷时程进行计数，得到单位时间内构件的载荷变程分布，作为构件的疲劳载荷数据；
S25、计算构件疲劳损伤，应用步骤S22中的T-N曲线计算步骤S24得到的载荷变程分布的各级载荷疲劳损伤，并基于Miner累积损伤原则对损伤进行加和，得到单位时间的构件疲劳损伤值。
6.根据权利要求5所述的一种基于实测数据的内转塔系泊系统疲劳分析方法，其特征在于，步骤S3，对于未来服役期间，对步骤S14得到的环境数据库内的数据进行统计分析，得到内转塔系泊系统服役海域的风、浪、流联合分布，并推断此环境分布在未来服役期间保持稳定，根据环境分布概率对步骤S25单位时间构件的疲劳损伤值进行加权平均，得到单位时间平均损伤值，根据其与剩余损伤之间的关系计算得到内转塔系泊系统的剩余寿命。
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