一种考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法技术

本发明专利技术公开一种考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法，经过有限元数据处理、结构应力计算、剪切结构应力与法向结构应力的多轴状态阈值判断以及载荷谱数据的处理等步骤，对焊接结构的疲劳程度进行评估；该方法基于结构应力理论提出了一种以获得“多轴等效结构应力”为核心计算的适用于复杂工程装备，特别是海工装备焊接结构多轴疲劳评估方法，在对海工装备中典型管接头和疲劳试验数据已知且受多轴应力的方管接头中进行疲劳仿真分析与试验结果对比，通过实施例印证了方法在海工装备等承受复杂载荷的焊接结构多轴疲劳分析中的有效性。分析中的有效性。分析中的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法


[0001]本专利技术涉及海工装备焊接结构设计领域，特别是一种考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法。

技术介绍

[0002]海工装备包括自升式钻井平台、半潜式钻井平台、浮式生产储卸装置、海洋工程船和海上风电设备等主要产品，在服役过程中焊接结构承受着海洋环境、气候、地震和波浪等引起的复杂疲劳载荷,且载荷多表现为具有随机性和不规则性，这对海工装备上焊接结构的设计和可靠性均提出了严格要求，因为在海工装备中局部结构上的焊接接头焊缝开裂，有可能导致整个设备的疲劳失效，从而引起巨大的安全隐患和经济损失。如2013年，某集装箱船，在服役过程中船体中部焊接结构发生疲劳断裂沉入印度洋，这些焊接结构疲劳失效事故时刻为设计人员敲响警钟，焊接结构疲劳问题无小事。显然,潜伏在各类焊接结构内部的隐患是重要的事故根源之一，可能会直接导致结构服役功能失效，甚至危害到人们的生命安全。
[0003]目前对于海工装备焊接结构的疲劳寿命评估多基于单轴应力状态下进行，不能很好的考虑多轴复杂应力状态对焊接结构的影响，这使得海工装备焊接结构的疲劳评估结果不能很好的反应实际服役状态，因此，鉴于海工装备产品的抗疲劳设计需求，有必要提出一种科学的焊接结构疲劳评估方法，充分考虑多轴应力状态下的焊接结构疲劳性能影响，并用该方法来指导海工装备焊接结构设计具有重要工程意义。
[0004]由于海工装备中焊接接头具有数量众多、尺寸覆盖广泛、结构形式复杂，并且承受海洋环境、气候、地震和波浪等多样载荷等特点，这都会使焊接结构在服役过程中出现多轴疲劳破坏的情况。通过对实际海洋工程产品中出现疲劳问题研究，发现疲劳开裂常从焊接结构应力集中区域产生并沿着焊缝的长度方向或者板厚方向进行扩展，所以工程实际中在考虑多轴应力状态时，主要以平面上的复合两轴应力疲劳为主，重点综合分析在危险面上的正应力和平行于危险面的剪应力的多轴应力对损伤的贡献。焊接结构考虑正应力和剪应力时的多轴应力分量，如图1所示。
[0005]在图1中所表达的焊缝几何图上，通常认为对疲劳损伤有较大贡献的是垂直于焊缝的正应力，但由于承载情况的多样，必然存在这样的情况，即当剪应力的影响达到一定阈值时，平行于焊缝方向的剪应力的损伤也需要被考虑。
[0006]当前在海工装备焊接结构疲劳评估时考虑多轴应力的多轴疲劳分析的标准主要采用基于名义应力的相关方法，这些基于名义应力的方法主要有：国际焊接学会IIW
‑
2015标准，英国BS 7608:2014+A1：2015标准，英国EN 1993
‑1‑
9标准及一些船级社的规范等。主要是基于名义应力标准进行多轴疲劳评估的方法，然而研究资料表明，在使用名义应力法标准开展海工装备焊接结构多轴应力的疲劳寿命评估时，存在以下局限性：
[0007](1)名义应力法相关标准中焊接结构多轴应力分析方法，很难完全获取疲劳评估点处的多轴应力，不能考虑板厚方向上的应力梯度效应，当局部焊接结构形状复杂时，名义
应力法将无法准确开展多轴应力状态的疲劳分析；
[0008](2)基于名义应力的工业标准中虽然给出了焊接结构多轴疲劳损伤评估方法，这些方法在应用过程中，仍避免不了名义应力法“对号入座”难，且分析结果存在着不一致性的问题，因此，现有基于名义应力标准(规范)的分析准确性仍不能很好满足工程需求。

技术实现思路

[0009]本专利技术是为了解决上述技术问题，提出一种能够更好地反映海工装备产品的真实受力状态，有效指导海工装备产品中焊接结构抗疲劳设计的考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法。
[0010]本专利技术的技术解决方案是：一种考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤依次进行：
[0011]A、首先向有限元数据管理模块中增加有限元文件，然后由有限元数据管理模块依次进行对焊缝处定义焊缝节点及单元、自动化节点单元编号、生成结构应力计算参数和增加有限元文件的操作，
[0012]B、将经过A步骤处理的数据输入到结构应力计算模块中，由结构应力计算模块完成提取节点力、坐标变换、载荷等效转换和计算焊趾单元处法向结构应力与剪切结构应力的操作，
[0013]C、对经过B步骤处理后得到的法向结构应力与剪切结构应力进行比较，当剪切结构应力Δτ
k
大于法向结构应力Δσ
k
的1/3时，认为剪切结构应力不可忽略，其中Δτ
k
为剪切结构应力，Δσ
k
为法向结构应力，当满足此条件时判定焊接接头处在多轴应力状态，需要开展多轴力状态下疲劳分析工作；
[0014]当剪切结构应力Δτ
k
小于法向结构应力Δσ
k
的1/3时，则可忽略剪结构切应力Δτ
k
，当满足此条件时判定焊接接头处不存在多轴应力状态，按照常规的单轴应力状态焊接结构疲劳评估方法进行评估，
[0015]D、进行多轴力状态下疲劳分析核心参数的计算：按照公式(1
‑
1)进行多轴状态下等效结构应力ΔS
ess,k
的计算，
[0016][0017]公式(1
‑
1)中，Δσ
k
为法向结构应力，Δτ
k
为剪切结构应力，t
ess
为焊接板的厚度，m
ss
为裂纹扩展指数，其值为试验常数，为考虑剪切结构应力的载荷弯曲比r的无量纲函数，为载荷弯曲比r的无量纲函数，R
bτ,k
为考虑剪切结构应力的弯曲比，R
b,k
为结构应力的弯曲比应力比，Δσ
b
为弹性弯曲应力变化范围，Δσ
m
为弹性膜应力变化范围，Δτ
b
为剪切弯曲应力变化范围，Δτ
m
为剪切膜应力变化范围，f
M,k
为等效结构应力修正参数，
[0018]公式(1
‑
1)中各参数的计算方法如下：
[0019][0020][0021][0022]其中，Δτ
em,k
剪切膜应力，Δτ
eb,k
剪切弯曲应力，k为节点数，m和n为循环计数，
[0023]其中参数F
(δ)
是Δσ
k
和Δτ
k
之间异相角的函数，如下面公式所示：
[0024][0025]其中，δ为异相角，
[0026]通常情况下，也可以对F
(δ)
进行粗略取值，即：
[0027]当Δσ
k
和Δτ
k
之间的存在异相角时，
[0028]当Δσ
k
和Δτ
k
两者在同相位施加时，F
(δ)
＝1.0，
[0029]E、在上述A至C步骤的同时，在利用载荷谱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑多轴应力状态的海工装备焊接结构疲劳评估方法，其特征在于：所述方法按照以下步骤依次进行：A、首先向有限元数据管理模块中增加有限元文件，然后由有限元数据管理模块依次进行对焊缝处定义焊缝节点及单元、自动化节点单元编号、生成结构应力计算参数和增加有限元文件的操作，B、将经过A步骤处理的数据输入到结构应力计算模块中，由结构应力计算模块完成提取节点力、坐标变换、载荷等效转换和计算焊趾单元处法向结构应力与剪切结构应力的操作，C、对经过B步骤处理后得到的法向结构应力与剪切结构应力进行比较，当剪切结构应力Δτ
k
大于法向结构应力Δσ
k
的1/3时，认为剪切结构应力不可忽略，其中Δτ
k
为剪切结构应力，Δσ
k
为法向结构应力，当满足此条件时判定焊接接头处在多轴应力状态，需要开展多轴力状态下疲劳分析工作；当剪切结构应力Δτ
k
小于法向结构应力Δσ
k
的1/3时，则可忽略剪结构切应力Δτ
k
，当满足此条件时判定焊接接头处不存在多轴应力状态，按照常规的单轴应力状态焊接结构疲劳评估方法进行评估，D、进行多轴力状态下疲劳分析核心参数的计算：按照公式(1
‑
1)进行多轴状态下等效结构应力ΔS
ess,k
的计算，公式(1
‑
1)中，Δσ
k
为法向结构应力，Δτ
k
为剪切结构应力，t
ess
为焊接板的厚度，m
ss
为裂纹扩展指数，其值为试验常数，为考虑剪切结构应力的载荷弯曲比r的无量纲函数，为载荷弯曲比r的无量纲函数，R
bτ,k
为考虑剪切结构应力的弯曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛春亮，杨春光，唐继武，白纯飞，陈磊，
申请(专利权)人：大连海洋大学，
类型：发明
国别省市：