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冰区海洋平台构件的模糊疲劳可靠性分析 2003年　第27卷 石油大学学报(自然科学版) 　Vol.27　No.4　第4期 　　JournaloftheUniversityofPetroleum,China 　　Aug.2003 　　文章编号:100025870(2003)0420094204 方华灿1,贾星兰2,段梦兰3 (1.石油大学机电工程学院,北京102249;2.北京航空航天大学固体力学研究所,北京100083; 3.中国船级社,北京100006) 　　摘要:为便于冰区海上固定采油平台的设计和对其在服役期间的安全可靠性进行评估,运用模糊数学理论和疲劳寿命试验,提出了冰区海洋平台构件的安全疲劳寿命计算及其可靠性分析的方法。给出了冰区海浪及海冰载荷作用于平台构件上的随机疲劳应力幅的计算方法,分析了平台构件的疲劳累积损伤,提出了考虑模糊性之后对Min2 er法则的修正。据此,给出了安全疲劳寿命的估算方法,建立了新的模糊疲劳可靠性分析模型。按照此模型,给出了 平台服役期间构件动态模糊疲劳可靠度的计算方法。疲劳寿命试验及计算实例表明,与采用常规的确定性Miner法则计算结果相比,按照该文方法计算得出的疲劳寿命更接近于疲劳寿命试验结果。 关键词:冰区;海洋平台;构件;疲劳寿命;可靠性分析;中图分类号:TE952,O213.2 文献标识码:A 引　言 ,其构件将产生疲劳应力幅,造成疲劳损伤。为了保证平 台安全,在设计平台及评估其服役期间的安全可靠性时,均需要对平台构件计算其疲劳累积损伤,估算其安全疲劳寿命,评定其可靠度。常用的计算疲劳累积损伤方法是按照确定性Miner法则,将疲劳损伤的产生看成一个确定性事件,将疲劳极限看成确定值,疲劳应力幅大于疲劳极限则产生疲劳损伤。这种计算方法常使计算出的疲劳累积损伤及安全疲劳寿命与实际不相符。进行疲劳可靠性分析时,除概率及模糊概率断裂力学之外,一般均未考虑疲劳累积损伤的模糊性,也没有考虑疲劳累积损伤及其临界值的随机性,因而,计算出的疲劳可靠度与实际不符。海洋工程结构一般虽然考虑了低于疲劳极限部分疲劳应力幅的影响[1],但计算出的疲劳寿命过于偏安全,影响经济效益。笔者将疲劳损伤的产生,看成一个模糊事件,考虑疲劳极限的模糊性,给出模糊隶属函数,从而对Miner法则进行修正,使计算出的疲劳累积损伤和安全疲劳寿命比较接近实际。具体做法是:将疲劳累积损伤看成模糊随机变量,将其临界值看成随机变量,建立新的可靠性分析模型,从而可计算出与实际比较接近的模糊疲劳可靠度。 收稿日期:2002210214 　冰区海洋平台构件的疲劳应力幅计 算 1.1　海浪载荷引起的疲劳应力幅及其概率分布 　　按照Nolte2Hansford模型计算来自海浪的疲劳应力幅Sw[1]为 (1)　Sw=CwHg. 式中,H为波高,m;Cw及g为来自试验的两个系数。 由式(1)可以看出,按照波高的概率分布可描述随机疲劳应力幅Sw的概率分布。目前,海洋工程中,常将长期的波高的概率分布看成服从威布尔(Weibull)分布,因此随机海浪引起的疲劳应力幅Sw的概率密度函数f(Sw)为 )(Sw-α)β-1exp[-(Sw-α)β/η].f(Sw)=(β/α (2) 式中,α,β和η分别为威布尔分布的位置、形状和尺 度参数。 根据渤海的波高实测数据,求得这3个参数分别为α=0.0715,β=0.9252,η=0.5950[1]。1.2　海冰载荷引起的疲劳应力幅及其概率分布 　　用Nolte2Hansford模型来描述随机海冰载荷作用于平台上时构件产生的疲劳应力幅SI为 作者简介:方华灿(1930-),男(汉族),安徽定远人,教授,从事海洋石油钻采装备与结构方面的教学与科研工作。 第27卷　第4期 　SI=Chb.数。 (3) 式中,h为冰厚,m;C及b为通过试验求得的两个系 式(3)表明,可按照海冰冰厚h的概率分布确定疲劳应力幅SI的概率分布。根据渤海石油公司在JZ220油田海域观测的冰厚数据,用威布尔分布和对 (8)　S3.74N=2.48×1013. 式中,S为疲劳应力幅,MPa;N为疲劳寿命。 对于低温下的S2N曲线,由于国内外现行规范中均未给出,故可采用以海洋平台常用的A537和A131钢,做成不同形状的焊接接头,针对渤海冬季 ),进行疲劳寿命试验,得出低温最低温度(-25℃ 数正态分布拟合,效果均好。这里采用威布