海洋工程结构物疲劳强度评估指南.pdf
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1、中 国 船 级 社海洋工程结构物疲劳强度评估指南GUIDELINES FOR FATIGUE STRENGTH ASSESSMENT OF OFFSHORE ENGINEERING STRUCTURES20132013 年 10 月 1 日生效Effective from October 1 2013北 京Beijing指导性文件GUIDANCE NOTESGD 09-2013-1-目 录第1章 通则.1第1节 概述.1第2节 定义.1第3节 S-N曲线方法.4第4节 断裂力学方法.4第5节 结构节点类型.4第2章 基于S-N曲线的疲劳分析.5第1节 概述.5第2节 疲劳累积损伤.6第3节 基
2、于名义应力的疲劳分析方法.7第4节 基于热点应力的疲劳分析方法.10第5节 S-N曲线.11第3章 应力集中系数和热点应力计算.20第1节 概述.20第2节 板件结构的应力集中系数.20第3节 圆管对接焊缝节点应力集中系数.24第4节 船体结构的应力集中系数.29第5节 管节点应力集中系数.29第6节 热点应力直接计算.33第4章 疲劳安全系数.39第1节 一般规定.39第5章 简化疲劳分析方法.41第1节 一般规定.41第2节 数学推导.41第3节 简化疲劳方法在导管架式固定海上设施中的应用.44第6章 谱疲劳分析方法.46第1节 一般规定.46第2节 海洋工程结构物的谱疲劳分析.47第3节
3、 低频和波频疲劳损伤的组合方法.51-2-第4节 由液货装载和卸载造成的疲劳损伤.52第5节 时域分析的疲劳评估方法.53第7章 基于断裂力学的疲劳分析方法.55第1节 概述.55第2节 裂纹扩展模型.55第3节 裂纹扩展寿命预报.56第4节 基于断裂力学的疲劳评估中可能的失效模式.57第5节 确定几何函数.57第8章 疲劳寿命的改善措施.58第1节 概述.58第2节 焊缝外形修整.58第3节 焊趾打磨.59第4节 惰性气体保护钨极焊(TIG)熔修.60第5节 锤击.60第9章 疲劳寿命的延长.62第1节 概述.62附录1 S-N曲线疲劳评估中对应的节点分类.63第1节 本附录采用的节点分类.
4、63附录2 管节点应力集中系数参数公式.72第1节 概述.72第2节 简单管节点.72第3节 多平面管节点.73第4节 搭接管节点.73第5节 加强管节点.73第6节 埃弗蒂米乌(Efthymiou)公式及其适用范围.73附录3 带有加强的开孔的应力集中系数.79第1节 带有加强的圆孔的应力集中系数.79第1页第1章 通 则第1节 概 述1.1.1 本指南适用于钢质焊接海洋工程结构物,如导管架平台、移动平台、海上浮式生产装置等。1.1.2 特殊类型和采用新颖结构型式的海洋工程结构物的疲劳强度评估应另行考虑,并经CCS同意。1.1.3 本指南中焊接和铸造管节点的疲劳S-N曲线采用美国石油学会的海
5、上固定平台规划、设计和建造的推荐作法工作应力法(API RP 2A-WSD)2007年版中给出的曲线。这些曲线适用于最小屈服强度小于500 N/mm2的钢材。1.1.4 本指南中对于非管节点的S-N曲线采用国际船级社协会(IACS)油船结构共同规范(IACS CSR-OT)中给出的8条曲线。这些曲线适用于最小屈服强度小于400 N/mm2的钢质焊接连接。1.1.5 当所使用钢材的屈服强度超过本节1.1.3和1.1.4的范围时,可按本指南第2章2.5.11的有关要求获得该材料的S-N曲线,也可参考使用本节1.1.3和1.1.4给出的S-N曲线。1.1.6 海工结构的设计者和分析者必须要意识到海工
6、结构的所属国当局可能有不同于本指南的法定技术要求。当使用其他用以替代本指南的安全要求不低于本指南的要求时,CCS可以考虑使用该替代规范作为入级规范的一部分。第2节 定 义1.2.1 结构节点分类一个结构节点含有一个结构的不连续,如一条或多条焊缝,对于在本指南附录1的表中给出的结构节点类型,可以采用名义应力的方法进行节点疲劳寿命计算。附录1中的节点也被称为标准结构节点。1.2.2 疲劳损伤度所考虑的疲劳交变应力循环数与在该应力水平的常幅交变载荷下的直到失效的循环次数(疲劳寿命)的比值。1.2.3 疲劳寿命结构节点在一确定幅值的交变应力循环作用下直到失效时的循环次数。在海洋工程实践中,计算疲劳寿命
7、常以年为单位,此时在迈因纳累积损伤假设以及在每一基本计算时间内(通常为一年)环境载荷造成的损伤相同的假定条件下,该寿命由疲劳损伤计算的基本时间(以秒计)除以这一基本时间内结构物中的最大损伤度,然后再除以31536000秒/年(即365天/年24小时/天3600秒/小时)得到。第2页1.2.4 疲劳强度与一个确定的疲劳寿命值相对应的交变应力范围的大小。1.2.5 疲劳抗力结构节点抵抗疲劳作用的能力,表现为S-N曲线或者裂纹扩展属性。1.2.6 疲劳强度安全系数设计中用于疲劳寿命的安全系数,它是一个大于1.0的系数,用于各个不同的结构节点以计入一些重要因素的影响,例如疲劳失效后果的严重性以及检验维
8、修的便利性等。1.2.7 名义应力结构中只考虑宏观几何效应而不考虑结构节点不连续以及焊缝引起的应力集中时得到的应力(见图2.1.5、图2.3.1(1)和(2),名义应力可通过诸如梁理论等经典理论求得,也可以通过粗网格或者细网格有限元方法求得。1.2.8 结构不连续由于焊接节点形状引起的几何不连续,通常可通过结构节点分类表来找到。结构不连续的效应有(i)膜应力的应力集中和(ii)形成二次弯曲应力。1.2.9 结构应力考虑结构不连续性效应而计算得到的构件应力,它包括膜应力和壳弯曲应力成分。同样也称为几何应力(见图2.1.5)。1.2.10 热点在交变应力作用下,结构中疲劳裂纹可能发源的点。热点可能
9、位于焊趾、角焊缝或者部分熔透焊缝的焊根或者板/型材的自由边。1.2.11 热点应力结构在热点处的表面应力,有时也被称为几何应力或者结构应力,热点应力计入了结构节点中的所有不连续和存在的附件所引起的应力升高,但是不包括由于切口(如焊趾)引起的非线性应力峰成分(见图3.6.4(1)和图2.4.1)。热点应力可通过名义应力乘以热点应力集中系数(SCF)或者通过细化有限元分析得到。1.2.12 热点应力集中系数热点应力与名义应力的比值,该名义应力包括了由于宏观几何效应而引起的应力升高。在不引起混淆时,本指南中简写为应力集中系数(SCF)。第3页1.2.13 切口应力考虑了局部切口引起的应力集中后的、位
10、于切口根部的总应力。因此切口应力由结构应力和非线性应力峰叠加而成(见图2.1.5)。1.2.14 切口应力集中系数切口应力与结构应力的比值。1.2.15 有效切口应力对一个具有一定有效切口半径的切口计算得到的切口应力。1.2.16 S-N曲线以图形形式给出的疲劳寿命(N)与疲劳应力范围(S)之间的关系。1.2.17 应力循环应力历史中包括一个应力极大值和一个应力极小值的一个片段。1.2.18 应力范围在一个应力循环内的应力极大值与极小值的差值。1.2.19 雨流计数法一种计算应力范围数目的方法。1.2.20 非线性应力峰在局部切口处超过线性分布结构应力的切口应力成分。1.2.21 错边值在焊接
11、接头处,沿板的横向测量出来的板的不对中量。1.2.22 不对中由于细节设计或者装配导致的轴向或者环向的不对中。1.2.23 断裂力学力学的一个分支,用于处理含有裂纹构件或节点的特性和强度。1.2.24 应力强度因子在断裂力学中用于描述裂纹尖端附近应力特征的一个因子。第4页1.2.25 帕里斯法则(Paris law)一个通过试验确定的裂纹扩展速率与应力强度因子范围的关系。第3节 S-N曲线方法1.3.1 在S-N曲线方法中,具有同一类属性的结构节点的疲劳强度用一条曲线或者一个公式来表示。曲线的横坐标一般为寿命或循环次数(N),纵坐标为应力范围(S),曲线的每一个点(Ni,Si)表示该类结构的节
12、点在等值循环应力范围Si的作用下达到疲劳破坏时的寿命或循环数为Ni。1.3.2 通常公开的S-N曲线都是收集试验数据并经过拟合得到,本指南中采用的S-N曲线是基于相关试验数据的平均值减去两倍的标准差后得到的设计用S-N曲线,具有97.6%的存活率。1.3.3 应确保计算得到的应力范围与拟采用的某一特定S-N曲线中应力范围的定义一致,目前海洋工程中主要有以下两种不同概念的S-N曲线:名义应力S-N曲线热点应力S-N曲线1.3.4 根据应力范围和寿命的具体计算过程的差异,一般可以分为简化疲劳分析方法、确定性疲劳分析方法和谱疲劳分析方法。第4节 断裂力学方法1.4.1 断裂力学在承认构件(尤其是焊缝
13、)的表层或者内部存在裂纹/缺陷的基础上,在材料力学性能、节点和裂纹的几何尺寸、节点所受载荷三者之间建立定量关系,目的在于根据小试样的断裂力学试验数据来推断节点的抗断裂能力。1.4.2 鉴于S-N曲线方法在海洋工程中的广泛应用和其主导地位,断裂力学方法通常是用作疲劳强度计算的辅助和支持手段,尤其是当现役结构上已经发现有裂纹的情形。1.4.3 断裂力学方法对于评估裂纹扩展、修订并细化检测计划具有重要的工程意义。第5节 结构节点类型1.5.1 通常,海洋工程结构物疲劳强度评估都基于两类主要的结构节点:管节点和非管节点,其中非管节点(也叫板节点或者板接头)包括焊接和非焊接连接节点,参见附录1给出的常见
14、非管节点分类。海洋工程的疲劳强度计算主要是针对钢质的管节点和非管节点进行。第5页第2章 基于S-N曲线的疲劳分析第1节 概 述2.1.1 本章阐述了基于S-N曲线的疲劳分析主要原则。2.1.2 基于S-N曲线的疲劳分析应根据S-N曲线的适用范围选用合适的曲线。2.1.3 对板件结构的疲劳分析可以基于名义应力S-N曲线,见本章第5节的非管节点S-N曲线。2.1.4 本章的方法主要是名义应力法和热点应力法,对于采用切口应力法的疲劳分析,CCS将给予特殊考虑。2.1.5 应根据不同的疲劳寿命计算方法获得相应的应力值,见表2.1.5。示意图见图2.1.5和图3.6.4(1)。应力集中因素、应力范围以及
15、相应的疲劳寿命计算方法 表2.1.5类型应力集中因素应力范围疲劳寿命计算方法A采用经典理论(如梁理论)进行分析获得的应力,不考虑应力集中一 般 名 义 应力范围对焊接节点疲劳分析不适用BA+宏观几何效应引起的应力集中,但不考虑结构不连续以及焊缝引起的应力集中修 正 名 义 应力范围基于名义应力的疲劳分析方法CA+B+结构不连续引起的应力集中,但不考虑焊缝切口引起的应力集中热 点 应 力 范围基于热点应力的疲劳分析方法DA+B+C+焊缝切口引起的应力集中1)实际切口应力2)有效切口应力切 口 应 力 范围1)断裂力学方法;2)基于有效切口应力的疲劳分 析方法第6页?DCA/B图2.1.5 焊趾区
16、域应力分布示意图第2节 疲劳累积损伤2.2.1 疲劳累积损伤根据Palmgren-Miner线性累积损伤理论进行计算。在这一理论中,假设在任一给定的应力水平下,累积损伤的速度与以前的载荷历程无关,并且加载顺序不影响疲劳寿命的计算值。2.2.2 当长期应力范围分布可以表示成一个应力直方图,并且每一个方块应力范围为常值iS,循环次数为in时,疲劳准则可以表示如下:11kiiiftgnDNS=(2.1)式中:D 疲劳累积损伤;k 应力分块的数目;ni 第i个应力分块中的应力循环数;Ni 在常值应力范围Si作用下直到失效时的应力循环数;Sftg 疲劳强度安全系数,见第4章第1节。2.2.3 当采用直方
17、图来表达应力分布时,应力的分块数k应该足够大以保证合理的数值精度,且不少于20。此外,应合理分布这些分块,在应力分布的峰值处应适当划分密些,而在其他应力值较低的区域可以适当稀疏些。2.2.4 在计算海洋工程结构物的疲劳寿命时,由于结构物往往具有多个工况且各工况在服役期间所占时间比例不同。因此,应对每一种需考虑的载荷工况分别计算损伤度,然后再按照各个工况在评估目标服役期中的比例加权计算总的损伤度:第7页 1miiiDp D=(2.2)式中:D 结构中某一计算点的总疲劳累积损伤;m 结构服役期中疲劳损伤计算的工况数;iD 如服役期均为第i个工况时结构中某一计算点的疲劳损伤;ip 第i个工况在结构服
18、役期间所占的时间比例。2.2.5 当结构在服役期间有过不同的用途时,应考虑不同用途所造成的疲劳损伤的累积。例如,当海上浮式生产装置是由油船改装而成时,在评估该海上浮式生产装置的剩余疲劳寿命时,要计入该装置作为油船使用时已经造成的疲劳损伤,且应注意以下要求:(1)当计算过去服役期中的疲劳累积损伤时,应采用该船过去实际航行路线的波浪海况,而不应与对新造油船一样采用假定航线的波浪海况。(2)当计算过去服役期中的疲劳累积损伤时,要考虑该船的航速,即在计算应力幅值响应算子(RAOs)和应力循环次数时要采用遭遇频率。第3节 基于名义应力的疲劳分析方法2.3.1 用于疲劳评估的名义应力为所计算的构件的截面内
19、应力,通常可采用经典弹性理论求得。它不考虑结构不连续和焊缝引起的应力集中,但需考虑疲劳评估点附近的宏观几何造成的应力集中。因为宏观几何效应可引起截面上名义应力的显著重新分布,见图2.3.1(1)。同样效应也可由集中力或者集中反力引起,见图2.3.1(2)。pnomnomnomnomnom(a)(b)(c)(d)(e)(f)图2.3.1(1)宏观几何引起的名义应力变化示例第8页图2.3.1(2)集中力引起的名义应力变化2.3.2 不同的名义应力成分可以视具体情况不同而具有不同的应力集中系数。2.3.3 一般而言,可采用以下两种方法获得用于疲劳强度评估的名义应力:(1)直接采用业界公认的应力集中系
20、数公式或者图表,见第3章第2节到第4节;(2)对于几何形状复杂或者受力复杂的结构,可以采用有限元直接计算方法以获得应力集中系数,一般是采用施加单位应力的方式来得到,但应注意以下问题:名义应力仅考虑宏观几何变化对应力的影响(如开口、锥度、梁拱、肘板、尺寸的改变等),当焊缝的不对中值超过了S-N曲线所隐含的不对中值时也应加以考虑;某类节点所对应的S-N曲线通常已经反映了几何突变引起的应力集中效果,因此这种几何突变引起的应力不予考虑,因为已经隐含在相应的S-N曲线中;由于焊缝形状引起的应力集中应该不予考虑,因为已经包含在所选择的S-N曲线中;如果实际的应力场比单轴应力复杂,则要选择最可能发生裂纹处的
21、主应力作为局部名义应力。当实际主应力的方向偏离焊趾的法线方向时,仍采用由主应力垂直法线时试验得到的该类型节点的S-N曲线进行评估是保守的。随着实际主应力方向与焊趾法线方向之间夹角的进一步增大,疲劳裂纹可能不再沿着焊趾产生,而可能是产生于焊缝中并且沿着与主应力方向垂直的方向进行扩展,如图2.3.3所示。这意味着焊趾处的切口不再是影响疲劳强度的显著因素,因此对于这种严重偏离焊趾法线的主应力方向要选择更高级别的S-N曲线;在建立有限元模型时,要保证网格大小的光顺过渡,避免网格尺寸突变。通常不必甚至不宜采用过细的网格来得到需要的局部名义应力;第9页 当要进行疲劳评估的部位是靠焊缝承受横向荷载,从而裂纹
22、可能发生在焊喉部位时(见附录1的节点W),名义应力应为通过焊喉最小横截面的名义剪应力。图2.3.3 当主应力方向更偏于平行于焊趾时的疲劳裂纹2.3.4 除了上述2.3.1中的宏观几何引起名义应力升高外,当要进行疲劳评估的局部有另一个焊接的小构件存在时,该焊接小构件将使名义应力进一步升高,增加了S-N曲线选择以及局部应力计算的不确定性。2.3.5 常见的结构节点类型见附录1。附录1中的节点和相应的S-N曲线是根据试验中的名义应力获得,因此包括了以下效应:(1)由于节点本身结构不连续引起的结构热点应力集中;(2)由于焊缝几何形状引起的非线性应力升高;(3)满足通常工业标准的焊接缺陷;(4)应力方向
23、;(5)焊接的残余应力;(6)焊缝区和热影响区的金相结构状况;(7)无损探伤(如适用时);(8)焊后热处理(如表中已经给出)。2.3.6 当有更加复杂或不确定的情况存在时,则应采用本章第4节中的热点应力方法。此时上述2.3.3(2)中的第和条不适用。热点应力方法对应的S-N曲线将不再包含结构不连续,因此需要通过结构分析以准确地得到由于结构不连续而引起的应力集中。并且在大多数情况下需要一个细化的有限元模型(即热点附近采用细化网格建模,细化网格区域的单元尺寸应近似等于评估区域的板的厚度,单元的长宽比应接近1.0)。第10页第4节 基于热点应力的疲劳分析方法2.4.1 概述(1)热点应力是指在结构热
24、点处表面的应力,同样也被称为几何应力或者结构应力,热点应力计入了结构节点中的所有不连续和存在的附件所引起的应力升高,但是不包括由于切口(如焊趾)引起的非线性应力峰成分。(2)对于焊接节点,热点通常位于焊趾处,示意图见图2.4.1。图2.4.1 非管节点热点应力示意图(3)当结构节点的几何类型和应力难以根据附录1中的现有节点类型进行分类,那么就可以考虑采用热点应力的方法。2.4.2 管节点(1)管节点的疲劳分析通常采用热点应力方法和相匹配的S-N曲线。(2)管节点的热点应力位置为围绕管节点焊缝一周的弦管侧和支管侧的若干个焊趾处。(3)热点应力的获取可基于合适的并经过验证的详细有限元分析。对于非加
25、强的简单管节点,其热点应力可采用圆管名义应力乘以其热点应力集中系数(SCF)得到。该SCF值建议按照埃弗蒂米乌(Efthymiou)热点SCF公式计算,参见附录2。2.4.3 非管节点(1)对于结构或者受力复杂的板件结构,因难以按照附录1进行基于名义应力的疲劳分析时,建议采用热点应力法和与之匹配的S-N曲线。(2)对于焊接结构,热点通常位于其焊趾部位,该热点应力可通过多种方式获得,但通常可基于合适的并经过验证的详细有限元分析得到。第11页(3)由于局部细化网格有限元分析中的很多因素会导致应力结果的扰动,而这种应力结果又对疲劳评估结果特别敏感,因此采用有限元方法计算热点应力时建议遵循本指南第3章
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