用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法技术

本发明专利技术提供一种用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，包括步骤：1）获取海况资料；2）对海况资料进行处理；3）计算每个单方向下每一种海况所对应的波浪谱；4）得到每个单方向下每种海况的单一规则波波高及其波周期的概率分布；5）计算单一规则波的波浪数量；6）累加相同单一规则波波高及波周期的单一规则波的波浪数量，得到单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图；7）根据同一波周期下的所有单一规则波波高与波浪数量的对应关系，将单一规则波浪数量以百分比的形式表达，选择超过百分比，确定波周期下的基本波波高。本发明专利技术计算结果不受海洋波高与波浪力之间非线性关系的影响，保证了频谱疲劳分析计算的准确性。

【技术实现步骤摘要】
用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法
本专利技术涉及一种频谱疲劳分析法，特别是涉及一种用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法。
技术介绍
海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。海洋平台作为海洋油气资源开发的基础性设施所处的环境十分复杂和恶劣，承受着多种随时间和空间变化的载荷，这些载荷的作用是长期、连续和随机的。持续的循环海洋波浪载荷可能导致导管架结构产生疲劳破坏，从而降低系统的可靠度，给生产、生活带来诸多不利的影响。因此，对海洋平台结构的疲劳寿命进行有意义的分析尤其重要。在海洋导管架平台设计中，频谱疲劳分析法是目前国际上海洋导管架平台设计中普遍采用的设计分析方法。这种方法既能较充分地考虑海洋波浪条件的随机性又具有数字计算分析方面的有效性。频谱疲劳分析法的步骤如下：(1)根据海洋平台的特征建立结构模型。其桩基可以用线弹性模拟。(2)对于建立的结构模型进行动力分析，计算所选阶数的自振频率和相应振型。(3)选定一定数量的不同周期的波周期，根据波高与波长之比的梯度计算相应的波高，从而得到一组基本波。(4)根据选定的基本波计算波浪力。(5)将计算得到的波浪力施加到结构模型上，并利用所获得的自振频率和振型进行稳态动力分析，求得动力响应的杆端力和力矩。(6)计算适当的应力集中因子，进而求得节点上指定热点的相应应力值。应用所求得应力值建立波浪谱和应力谱之间的传递函数。(7)根据收集到的海况数据，计算一系列的波浪谱。(8)根据波浪谱和传递函数，计算节点应力谱。(9)最后由节点应力谱计算海洋平台的累积疲劳破坏和寿命。从上述频谱疲劳分析的步骤中可以看到，频谱疲劳分析法的要点在于，用不同的周期和相应的波高组成的若干单一规则基本波来确定结构响应的传递函数。然后，传递函数乘以相应海况的波浪谱来计算相应的节点应力谱，从而计算出疲劳寿命。由于频谱理论建立在线性系统基础上，如果波高和波浪力的关系是非线性的，那么传递函数的准确性就完全依赖于对基本波的波高和周期的准确选择上。当非线性响应变得非常严重，或者不能用确定性的方法来解决海浪的随机性，那么为了保证疲劳寿命的计算结果的合理性，安全性，准确性，必须用更精确的方法来选择基本波。浅海海洋导管架平台通常都会受到大量的因波浪随机性而产生的随机波浪力的冲击。理论上，频谱疲劳分析法并不太适合这种海况下的导管架平台疲劳分析。原因之一是这种系统的波高和波浪力之间并非是简单的线性关系，另一个原因是目前缺乏合适的确定性的方法来建立准确的传递函数。根据频谱疲劳分析的步骤过程，需要选取基本波来确定波浪力。图1显示为波高与波浪力之间线性化和实际关系曲线，如图1所示，图中实线表示波高和波浪力的实际关系，波高和波浪力之间并非是简单的线性化关系，而在目前的导管架设计中，疲劳分析一般采取将波高和波浪力的关系线性化成一条直线(图1中的虚线和点划线，虚线表示波高与波长比值取1/7，点划线表示波高与波长比值取1/30)近似代替实际的非线性关系，因此造成了很大的计算误差。在近似过程中，波高与波长的比值称为梯度Steepness，表达式如式1所示：式1其中：H-波高，L-波长，g-重力加速度，T-波周期。正是因为将波高和波浪力的关系根据经验进行了线性化，造成了频谱疲劳分析的计算误差。频谱疲劳计算分析中基本波的选取是相当的重要，选取值的大小将严重影响最后的疲劳破坏计算结果，利用波高与波长之比的梯度值确定基本波的方法对相关的波浪周期会造成很大的不确定性。利用传统的频谱疲劳分析方法计算得出的疲劳寿命结果有可能严重高估了疲劳破坏，导致设计的非准确性。因此，频谱疲劳分析法中由于海洋波高和波浪力之间的非线性关系产生的疲劳预测误差问题长期以来未能得到较好的解决。随着海洋工程技术的不断提高，以及对海洋工程安全性越来越高的要求，能够准确地预测海洋工程的疲劳寿命，进一步提高频谱疲劳分析技术的准确性具有重要意义。虽然国外对频谱疲劳分析法中的非线性问题有很多的研究，但是，目前还没有提出能适用于海洋工程设计的，能明显改善疲劳计算和疲劳寿命预测精度的切实可用的方法。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，该方法具有较高的准确性，使疲劳破坏计算精度大幅提高并减小计算工作量。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，包括步骤：1)获取所述导管架平台所在海域的海况资料，所述海况资料包括所述海域一年中各个方向的有意义波高Hs与平均跨零周期Tz的联合概率分布；2)对所述步骤1)获得的海况资料进行处理，对每个单方向的有意义波高Hs、平均跨零周期Tz分别取中间值，获得m个离散的所述有意义波高Hsr和n个离散的所述平均跨零周期Tzq，其中(1≤r≤m)，(1≤q≤n)；每个所述有意义波高Hsr和平均跨零周期Tzq对应于一种海况，所述海况资料中每个单方向下每一种海况的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq对应一个联合概率分布pr,q；3)根据每个单方向下每一种海况的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq计算所述每个单方向下每一种海况所对应的波浪谱Sηη(f)r,q，f为波浪频率，0<f<∞；4)对单一规则波波高H及其波周期T分别进行等间隔划分，根据计算精度选取单一规则波波高H的波高间隔ΔH和波周期T的周期间隔ΔT，i＝Hmax/ΔH，j＝Tmax/ΔT，其中，Hmax和Tmax分别为所述导管架平台所在海域的百年一遇最大波高和最大波周期；根据所述步骤1)中获取的所述导管架平台所在海域的海况资料、所述步骤2)中测得的所述海况资料中每个单方向下每一种海况下的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq对应的联合概率分布pr,q、所述步骤3)获得的波浪谱Sηη(f)r,q，利用longuet-Higgins单一规则波波高和波周期联合概率分布理论得到每个单方向下每一种海况的单一规则波波高H及其波周期T的概率分布P(H,T)r,q，其中(1≤r≤m),(1≤q≤n)，P(H,T)r,q均为i×j的矩阵；5)计算每个单方向下每一种海况在一年内的波浪数量(Nt)r,q，与所述步骤4)结合得到每个单方向下每一种海况在一年内单一规则波的波浪数量(Nt)r,q×P(H,T)r,q；6)累加每个单方向下每一种海况在一年内相同单一规则波波高Hu及相同波周期Tv的单一规则波的波浪数量其中(1≤u≤i)，(1≤v≤j)，进而得到每个单方向下每一种海况在一年内的单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图；7)根据所述步骤6)得到的每个单方向下每一种海况在一年内的单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图，得到同一波周期Tv下的所有单一规则波波高与波浪数量的对应关系，进而得到该所述波周期Tv下的相同波周期单一规则波波浪总数；选择超过百分比，从数值最高的单一规则波波高开始，由高向低逐次对该波周期Tv下单一规则波波高对应的波浪数量进行累加从而得到不同的波浪数量累加值，当累加到单一规则波波高时所述波浪数量累加值与所述相同波周期单一规则波波浪总数的比值与所述超过百分比相同，即可确定单一规则波波高即为该波周期Tv下的基本波波高。优选地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，其特征在于，包括步骤：1)获取所述导管架平台所在海域的海况资料，所述海况资料包括所述海域一年中各个方向的有意义波高Hs与平均跨零周期Tz的联合概率分布；2)对所述步骤1)获得的海况资料进行处理，对每个单方向的有意义波高Hs、平均跨零周期Tz分别取中间值，获得m个离散的所述有意义波高Hsr和n个离散的所述平均跨零周期Tzq，其中(1≤r≤m)，(1≤q≤n)；每个所述有意义波高Hsr和平均跨零周期Tzq对应于一种海况，所述海况资料中每个单方向下每一种海况的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq对应一个联合概率分布pr,q；3)根据每个单方向下每一种海况的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq计算所述每个单方向下每一种海况所对应的波浪谱Sηη(f)r,q，f为波浪频率，0<f<∞；4)对单一规则波波高H及其波周期T分别进行等间隔划分，根据计算精度选取单一规则波波高H的波高间隔ΔH和波周期T的周期间隔ΔT，i＝Hmax/ΔH，j＝Tmax/ΔT，其中，Hmax和Tmax分别为所述导管架平台所在海域的百年一遇最大波高和最大波周期；根据所述步骤1)中获取的所述导管架平台所在海域的海况资料、所述步骤2)中测得的所述海况资料中每个单方向下每一种海况下的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq对应的联合概率分布pr,q、所述步骤3)获得的波浪谱Sηη(f)r,q，利用longuet‑Higgins单一规则波波高和波周期联合概率分布理论得到每个单方向下每一种海况的单一规则波波高H及其波周期T的概率分布P(H,T)r,q，其中(1≤r≤m),(1≤q≤n)，P(H,T)r,q均为i×j的矩阵；5)计算每个单方向下每一种海况在一年内的波浪数量(Nt)r,q，与所述步骤4)结合得到每个单方向下每一种海况在一年内单一规则波的波浪数量(Nt)r,q×P(H,T)r,q；6)累加每个单方向下每一种海况在一年内相同单一规则波波高Hu及相同波周期Tv的单一规则波的波浪数量其中(1≤u≤i)，(1≤v≤j)，进而得到每个单方向下每一种海况在一年内的单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图；7)根据所述步骤6)得到的每个单方向下每一种海况在一年内的单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图，得到同一波周期Tv下的所有单一规则波波高与波浪数量的对应关系，进而得到该所述波周期Tv下的相同波周期单一规则波波浪总数；选择超过百分比，从数值最高的单一规则波波高开始，由高向低逐次对该波周期Tv下单一规则波波高对应的波浪数量进行累加从而得到不同的波浪数量累加值，当累加到单一规则波波高时所述波浪数量累加值与所述相同波周期单一规则波波浪总数的比值与所述超过百分比相同，即可确定单一规则波波高即为该波周期Tv下的基本波波高。...

【技术特征摘要】
1.一种用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，其特征在于，包括步骤：1)获取所述导管架平台所在海域的海况资料，所述海况资料包括所述海域一年中各个方向的有意义波高Hs与平均跨零周期Tz的联合概率分布；2)对所述步骤1)获得的海况资料进行处理，对每个单方向的有意义波高Hs、平均跨零周期Tz分别取中间值，获得m个离散的所述有意义波高Hsr和n个离散的所述平均跨零周期Tzq，其中-1≤r≤m，1≤q≤n；每个所述有意义波高Hsr和平均跨零周期Tzq对应于一种海况，所述海况资料中每个单方向下每一种海况的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq对应一个联合概率分布pr,q；3)根据每个单方向下每一种海况的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq计算所述每个单方向下每一种海况所对应的波浪谱Sηη(f)r,q，f为波浪频率，0<f<∞；4)对单一规则波波高H及其波周期T分别进行等间隔划分，根据计算精度选取单一规则波波高H的波高间隔ΔH和波周期T的周期间隔ΔT，i＝Hmax/ΔH，j＝Tmax/ΔT，其中，Hmax和Tmax分别为所述导管架平台所在海域的百年一遇最大波高和最大波周期；根据所述步骤1)中获取的所述导管架平台所在海域的海况资料、所述步骤2)中测得的所述海况资料中每个单方向下每一种海况下的有意义波高Hsr与平均跨零周期Tzq对应的联合概率分布pr,q、所述步骤3)获得的波浪谱Sηη(f)r,q，利用longuet-Higgins单一规则波波高和波周期联合概率分布理论得到每个单方向下每一种海况的单一规则波波高H及其波周期T的概率分布P(H,T)r,q，其中1≤r≤m,1≤q≤n，P(H,T)r,q均为i×j的矩阵；5)计算每个单方向下每一种海况在一年内的波浪数量(Nt)r,q，与所述步骤4)结合得到每个单方向下每一种海况在一年内单一规则波的波浪数量(Nt)r,q×P(H,T)r,q；6)累加每个单方向下每一种海况在一年内相同单一规则波波高Hu及相同波周期Tv的单一规则波的波浪数量其中1≤u≤i，1≤v≤j，进而得到每个单方向下每一种海况在一年内的单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图；7)根据所述步骤6)得到的每个单方向下每一种海况在一年内的单一规则波波高、波周期及波浪数量的分布直方图，得到同一波周期Tv下的所有单一规则波波高与波浪数量的对应关系，进而得到该所述波周期Tv下的相同波周期单一规则波波浪总数；选择超过百分比，从数值最高的单一规则波波高开始，由高向低逐次对该波周期Tv下单一规则波波高对应的波浪数量进行累加从而得到不同的波浪数量累加值，当累加到单一规则波波高时所述波浪数量累加值与所述相同波周期单一规则波波浪总数的比值与所述超过百分比相同，即可确定单一规则波波高即为该波周期Tv下的基本波波高。2.根据权利要求1所述的用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，其特征在于：所述步骤3)中采用JONSWAP谱计算每个单方向下每一种海况所对应的波浪谱Sηη(f)r,q，表达式为其中：g为重力加速度，γ的取值根据不同海域的海况确定，所述海况条件越好，γ的取值越小。3.根据权利要求2所述的用于导管架平台频谱疲劳分析的基本波确定方法，其特征在于：根据每个单方向下每一种海况对应的所述波浪谱Sηη(f)r,q得到各阶谱谱距每个单方...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯勤，钱亚林，陈尚周，张文学，
申请(专利权)人：中国石油化工集团公司，中国石化集团上海海洋石油局工程院，
类型：发明
国别省市：北京;11