一种用于时域疲劳分析的波浪散布图组块等效方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于结构疲劳评估分析技术领域，具体涉及一种用于时域疲劳分析的波浪 散布图组块等效方法。
【背景技术】
[0002] 随着海洋资源开发的大规模发展，各类海洋工程结构物应运而生。海洋平台结构 为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物，其 长期受到风浪流等各种随机载荷的作用，使得结构内部产生了不断变化的应力，在循环载 荷的作用下往往会产生疲劳损伤，疲劳损伤的长期累积最终会导致结构发生疲劳破坏，从 而引发严重后果。
[0003] 考虑到成本、建造技术等方面原因，对海洋平台结构进行疲劳分析、预防事故发生 具有重要意义。目前，应用于疲劳分析的方法主要分为两种：一种是用于研究或者校核结构 疲劳强度，即基于疲劳裂纹扩展的分析方法；一种是用于结构设计，即基于疲劳曲线的分析 方法，包括确定性分析方法、频域分析方法和时域分析方法等。
[0004] 在结构的设计过程中，特别是海洋平台结构的设计过程中必须要针对结构疲劳强 度进行评估。而在目前工程设计常用的几种疲劳分析方法中：1、确定性分析方法一般会高 估结构的疲劳寿命，不符合工程设计的保守性原则；2、频域分析方法是基于线性假设，难以 预报低频的疲劳应力，其中许多非线性因素无法考虑，会低估疲劳寿命，且其计算精度低， 导致建造成本大幅增加；3、时域分析方法能够考虑多种非线性因素，被认为是最精确的评 估方法，但时域分析方法需要针对每一海况进行大量的耦合动力分析，且计算工况数目一 般较大，耗时较长，计算效率较低，大大限制了其在工程设计中的应用与推广。
[0005] 如何在保留时域疲劳评估方法高精度优势的同时，提高其计算效率，是目前本领 域的主要障碍，为此亟需提出一种基于时域疲劳评估方法的波浪工况简化方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对上述现有技术中对结构疲劳分析计算效率低等技术问题提 出的一种用于时域疲劳分析的波浪散布图组块等效方法，可以在保证疲劳评估精度的同 时，提高计算效率。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提出一种用于时域疲劳分析的波浪散布图组块等效方 法，主要包括以下步骤：步骤S1、利用波浪散布图描述某一海域海况的长期分布情况，以组 块的形式对波浪散布图中相临近的海况进行划分；步骤S2、对上述每一个组块海况用一个 对应等效海况来替代，所述等效海况由等效跨零周期T zeq和等效有效波高描述H Mq;步骤 53、 求取每个组块海况对应的等效海况的等效跨零周期Tzeq和等效有效波高Hseq参数；步骤 54、 利用上述等效海况替代原始海况进行结构疲劳强度评估。
[0008] 本发明中，所述步骤S3中，求取等效海况的等效跨零周期I^q和等效有效波高H _ 的过程如下：步骤S31、根据等效海况与组块海况波面平均跨零率相等，构建跨零率等效方 程A，求取等效跨零周期T_;步骤S32、根据方程
R取波浪散布图组 块内每个海况的波浪能量，所述波浪能量用波浪谱的零阶矩表征，其中，1%表示该组块第i 个海况波浪谱的零阶矩，Sni (ω)表示该组块第i个海况的波浪谱；步骤S33、依据等效海况 与组块海况能量等效原则，构建能量等效方程B，求取等效海况的波浪谱零阶矩步骤 S34、根据所述等效跨零周期Tz^等效海况的波浪谱零阶矩Hilfeq以及波浪谱的表达式，通过 构建等效海况零阶距方程C，并根据方程= X' .v^，求取等效有效波高HMq。 将等效海况代替组块海况进行结构疲劳强度评估，通过减少计算海况数目达到提升时域疲 劳评估效率的目的。
[0009] 作为优选，所述步骤S2中，为了保障疲劳评估精度，使每一个组块海况用一个等 效海况替代，在组块划分时，波高和周期跨度不能太大，一个组块包括3-6个海况。
[0010] 作为优选，所述步骤S31中的跨零率等效方程A ^
，其中，P1表示 波浪散布图组块内第i个海况出现的概率，η为该组块包含的海况个数，Tzl表示该组块内 第i个海况的跨零周期。
[0011] 作为优选，所述步骤S33中的能量等效方程B为其中为 等效海况的波浪谱零阶距。
[0012] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明通过利用波浪散布图来 描述某一海域长期海况的分布情况，并对波浪散布图中相邻的多个海况进行组合，形成等 效海况；根据波面平均跨零率与波浪能量相等的原则，构建方程，求取等效海况的等效跨零 周期I^ q和等效有效波高H 利用等效海况代替组块海况进行结构疲劳强度评估，本发明 在保证疲劳评估精度的同时，通过减少计算海况数目达到提升疲劳评估效率的目的。
【附图说明】
[0013] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。
[0014] 图1为本发明提供的方法流程框图；
[0015] 图2为图1的步骤S3中，求取等效海况周期和等效有效波高的流程框图；
[0016] 图3为目标平台及系泊缆布置示意图；
[0017] 图4为波浪散布图组块划分示意图；
[0018] 图5为等效海况与原始海况疲劳评估精度对比图。
【具体实施方式】
[0019] 本发明依据波浪能量等效原则，首次提出对波浪散布图中的相邻的多个海况以组 块形式划分，用等效海况替代原始海况的思想进行疲劳强度评估的方法。通过减少计算海 况个数，提高疲劳评估效率，在保证疲劳评估精度的同时，提高计算效率，具有较高的实用 价值。下面结合具体的实施例对本发明做进一步地说明。
[0020] 参考图1，为本发明所述方法的流程框图，主要包括：步骤S1、利用波浪散布图描 述某一海域海况的长期分布情况，以组块的形式对波浪散布图中相临近的海况进行划分； 步骤S2、对上述每一个组块海况用一个对应等效海况来替代，所述等效海况由等效跨零周 期T zeq和等效有效波高描述H 步骤S3、求取每个组块海况对应的等效海况的等效跨零周 期Tzeq和等效有效波高Hseq参数；步骤S4、利用上述等效海况替代原始海况进行结构疲劳强 度评估。
[0021] 本发明从波浪能量角度出发，分析等效跨零周期和等效有效波高的具体求解过 程，参考图2,求取等效海况的等效海况的等效跨零周期I^ q和等效有效波高H _的过程如 下：所述步骤S3中，求取等效海况的等效跨零周期I^q和等效有效波高Hseq的过程如下：步 骤S31、根据等效海况与组块海况波面平均跨零率相等，构建跨零率等效方程A，求取等效 跨零周期Tz^步骤S32、根据方程
求取波浪散布图组块内每个海况 的波浪能量，所述波浪能量用波浪谱的零阶矩表征，其中，1%表示该组块第i个海况波浪谱 的零阶矩，Sni (ω)表示该组块第i个海况的波浪谱；步骤S33、依据等效海况与组块海况能 量等效原则，构建能量等效方程B，求取等效海况的波浪谱零阶矩步骤S34、根据所述 等效跨零周期T z^等效海况的波浪谱零阶矩以及波浪谱的表达式，求取等效有效波高 Hseq 〇
[0022] 上述步骤S34中，根据等效跨零周期Tzeq、等效海况的波浪谱零阶矩!11_以及波浪 谱的表达式构建等效海况零阶矩方程，并根据等效有效波高H Mq与等效海况的波浪谱零阶 矩HW1的关系，求取等效有效波高H _。波浪谱以P-M谱为例，构建等效海况零阶距方程
其中，Sn (ω)为等效海况的波浪谱，根 据方程笔胃求取等效有效