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

本发明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。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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：

6、(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；

7、(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

1、本发明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。

2、本发明的技术解决方案是：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：

3、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，

4、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，

5、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δτk大于法向结构应力δσk的1/3时，认为剪切结构应力不可忽略，其中δτk为剪切结构应力，δσk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；

6、当剪切结构应力δτk小于法向结构应力δσk的1/3时，则可忽略剪结构切应力δτk，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，

7、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δsess,k的计算，

8、

9、公式(1-1)中，δσk为法向结构应力，δτk为剪切结构应力，tess为焊接板的厚度，mss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，rbτ,k为考虑剪切结构应力的弯曲比，rb,k为结构应力的弯曲比应力比，δσb为弹性弯曲应力变化范围，δσm为弹性膜应力变化范围，δτb为剪切弯曲应力变化范围，δτm为剪切膜应力变化范围，fm,k为等效结构应力修正参数，

10、公式(1-1)中各参数的计算方法如下：

11、

12、

13、

14、其中，δτem,k剪切膜应力，δτeb,k剪切弯曲应力，k为节点数，m和n为循环计数，

15、其中参数f(δ)是δσk和δτk之间异相角的函数，如下面公式所示：

16、

17、其中，δ为异相角，

18、通常情况下，也可以对f(δ)进行粗略取值，即：

19、当δσk和δτk之间的存在异相角时，

20、当δσk和δτk两者在同相位施加时，f(δ)＝1.0，

21、e、在上述a至c步骤的同时，在利用载荷谱管理模块对随机载荷谱进行处理，经过载荷谱雨流计数、制定多级等幅载荷谱、选择主s-n曲线和设定其他相关参数步骤，

22、f、将c步骤处理后得到的数据和e步骤处理后得到的数据，带入到d步骤的公式1-1中，即根据主s-n曲线计算焊缝焊趾单元的疲劳寿命，

23、g、用f步骤计算得到的疲劳寿命与预期寿命进行比较，如果大于预期寿命，说明该模型满足多轴疲劳评估要求，如果小于预期寿命，说明该模型不满足多轴疲劳评估要求，需要重新设定模型。

24、本发明同现有技术相比，具有如下优点：

25、本种适用于海工装备焊接结构的多轴疲劳评估方法，与传统的名义应力法(热点应力法)相比较，本方法是基于断裂力学焊接结构破坏机理的结构应力法理论提出，方法具有以下优势：

26、(1)本方法基于用一条主s-n曲线计算模型就可预测任何形式焊接接头疲劳寿命的结构应力法理论。方法较好的适用于海工装备的载荷多样性以及焊接接头几何形状的多样性。克服了名义应力法在分析海工装备处在多轴应力时焊接接头分类难以把握的问题。

27、(2)计算效率较高，采用结构应力法理论进行多轴应力状态下的疲劳分析，由于结构应力对于网格不敏感，可有效降低网格划分工作强度，降低了对计算机的计算能力要求，这种计算能力的改变是海工装备等大型复杂焊接结构或焊接接头设计需要的，使得方法可以有效对海工装备等大尺寸复杂焊接结构进行分析。

28、(3)方法充分考虑了海工装备服役过程中多轴应力的影响，给出了相应进行多轴应力计算的门槛值，即当剪切结构应力大于1/3法向结构应力时进行多轴应力状态计算，避免因多轴应力较小时，导致仿真分析的工作量增加的问题，因此，方法可较好的满足海工装备等大型复杂焊接结构实的工程分析。

29、它以网格不敏感的结构应力法理论作为技术基础，可降低计算中对网格精度要求，具有有限元网格不敏感的优点，一方面是海工装备上的焊接结构尺寸很大，一方面是焊接结构上焊缝的形式和尺寸多样，因此用有限元法计算应力时，结构应力法对网格不敏感的力学属性虽然降低了对计算模型规模的严格要求，但是却具有结构应力计算结果的一致性。与传统过度依赖精细网格的计算方法相比，方法计算过程中的实用性优势突出，且海工装备中焊接结构及应力状态越复杂，方法的网格不敏感性优势越明显。

30、同时，它可完成在复杂服役环境下海工装备受多轴应力状态时的疲劳寿命评估，基于结构应力法理论提出考虑多轴应力作用下焊接结构疲劳损伤的评估方法，首先完成应力计算，即各焊缝节点的法向结构应力与剪切结构应力计算；然后开展焊接结构多轴计算条件判断，是否满足多轴应力状态所需要对剪切应力进行考虑的条件；在满足多轴应力计算条件情况下，进行核心参数多轴等效结构应力的计算，有了多轴等效结构应力值就可顺利开展后续疲劳寿命计算环节，完成考虑多轴应力状态情况下的海工装备焊接结构疲劳寿命评估，因此本发明涉及方法的工程意义是显著的，使得海工装备焊接结构更合理的进行疲劳寿命的评估，在设计阶段对海工装备提升焊接结构抗疲劳性能提供了一种新的方法支持。

31、并且，它可对海工装备中标准和非标准接头在多轴应力状态下的疲劳性能均进行评估，在采用传统名义应力法进行海工装备焊接结构多轴疲劳分析时，接头形式必须“对号入座”，即必须为标准接头形式，非标准的接头则无法合理的进行疲劳评估。由于海工装备产品中焊接结构的复杂性使得名义应力理论不可能为许多“形状特殊，载荷复杂”的接头提供其s-n曲线数据。如果仅依靠一些设计标准中对焊接接头提供的s-n曲线数据，那么非标准焊接接头的多轴应力下的疲劳评估将不可能展开。但是利用本方法，只要给定它的几何形状与疲劳载荷，计算疲劳寿命的主s-n曲线模型就可进行考虑多轴应力下的疲劳评估。

32、设计人员可以利用本方法得到的海工装备焊接结构的多轴疲劳评估结果，在多次方案的计算结果对比中选择较优的技术方案，有效解决海工装备等大型复杂焊接结构无法开展疲劳试验的产业技术“卡脖子”问题，将有利用降低海工装备产品的研制周期，同时减少产品的试验成本，确保海工装备研制中焊接结构的高质量和低成本。

33、综上所述，可以说本方法为合理评估海工装备焊接结构疲劳性能提供了一种有效的分析方法，使海工装备焊接结构在设计阶段能够更合理评估多轴应力对复杂焊接结构疲劳寿命的影响，所得到的疲劳评估结果更好的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焊接结构的抗疲劳设计。在海工装备产品的设计阶段，对焊接结构在考虑多轴应力状态下疲劳性能的影响，减少了海工装备产品的研发设计周期，并基于设计阶段的合理评估结果，可有效降低相关的试验成本，这对提升海工产品焊接结构抗疲劳性能和合理评估工程产品安全服役性能有着重要的科学意义。