一种锚链疲劳寿命预测方法

1.本发明属于疲劳寿命的技术领域，具体涉及一种锚链疲劳寿命预测方法。


背景技术：

2.对于海上浮式结构的系泊系统，结构物的往复运动、持续不断的波浪载荷将会导致锚链在服役期间始终处于交变载荷的作用下，并导致疲劳损伤的出现以及恶化。随着海上开发向深远海的发展、浮式结构的大量应用，锚链的疲劳破坏日益突出，已被大量的船级社、机构、学者公认为最重要的锚链失效模式之一。疲劳裂纹在锚链中的萌生以及扩展会明显减低锚链的疲劳强度以及承载能力，甚至会导致整根锚链的疲劳断裂失效并进而威胁整个海上结构物的安全。另外，海上浮式结构的锚链连续服役时间一般长达20年，其定期检查以及维护更换工作并不好进行，因此，基于断裂力学的方法对锚链的疲劳性能进行合理的评估，利用裂纹扩展的方法对锚链的剩余疲劳寿命进行准确预测是很有必要的。
3.针对锚链疲劳问题，s-n/t-n曲线法由于其便捷性、工程上可接受的精度，在锚链的疲劳寿命评估中得到了广泛的认可以及应用。但是，s-n/t-n曲线法理论本身的缺陷也限制了该方法的更深入的应用，比如：
4.(1)s-n/t-n曲线法无法考虑锚链在制造、运输、安装时引入的初始缺陷，严重高估锚链疲劳性能；
5.(2)s-n/t-n无法考虑载荷次序、材料特性等问题；
6.(3)无法基于裂纹扩展路径以及裂纹形貌对锚链寿命进行准确预测；
7.由于s-n/t-n曲线法的诸多不足，断裂力学在锚链疲劳性能、寿命预测中的应用也越来越迫切，目前，限制断裂力学在锚链疲劳问题中应用的主要因素如下：
8.(1)锚链服役期内遭受的实际海况极其复杂且极不规则，将实际海况进行简化并与断裂力学进行结合存在着较大问题；
9.(2)基于断裂力学开展疲劳寿命预测，将疲劳问题视为裂纹扩展问题，即裂纹与有限元模型的更新与迭代计算。锚链在服役期内能够遭受超过百万量级的循环载荷，如果直接将如此大量的循环载荷应用于迭代计算，工作量巨大且计算效率低下，不利于基于断裂力学实现锚链的疲劳寿命快速预测；


技术实现要素：

10.为将断裂力学成功应用到锚链的疲劳断裂问题中，本发明提出了一种锚链疲劳寿命预测方法。本发明利用线性插值、椭圆方程等成功地将实际海况与裂纹扩展的精确计算结合了起来。推进了断裂力学在锚链疲劳性能研究、剩余寿命预测中应用。
11.本发明是由以下计算方案实现的：
12.一种锚链疲劳寿命预测方法，该方法是通过疲劳裂纹扩展方法实现的，包括：前处理、迭代求解以及裂纹扩展，可分别借助sesam，abaqus，franc 3d平台实现，其中，sesam平台作为前处理器，其工况包括：s1模型建模、s2水动力分析、s3系泊分析；abaqus负责s4锚链
有限元模型的建模，具体包括以下几个步骤：s41简化锚链模型的建模、s42裂纹扩展区域的定义、s43边界载荷以及系泊张力的施加、s44有限元分析；franc 3d负责s5裂纹插入以及网格更新，整个过程包括初始裂纹的插入以及裂纹自动扩展，其中，裂纹自动扩展的实现包括以下主要环节：s6增量计算判断、s7终止条件检验、s8疲劳寿命统计；
13.所述s1模型包括s11几何模型、s12水动力模型，其中，s11几何模型包含结构物尺寸及结构信息；s12水动力模型是通过对几何模型的水动力性质的定义和赋值来实现，是赋予几何模型水动力属性后完成，包含湿表面的定义以及压载舱水动力属性的定义；
14.所述s2水动力分析为求解结构自身运动特性和波浪载荷，其工作的开展是基于势流理论完成，内容包括：s21波浪环境、s22水动力属性赋予以及s23浮态调整步骤；其中，s21波浪环境是指定义势流理论分析用一系列规则波，包括浪向、波频以及工作水深等信息定义；s22水动力属性赋予是指莫里森结构阻尼系数等水动力相关参数的定义；s23浮态调整则是针对重浮力不相等或首尾吃水与实际存在差异的情况进行的模型姿态调整，通过压载水的方式进行处理；
15.所述s3系泊分析为求解锚链系泊张力时程，其主要工作包括：s31系泊系统定义、s32环境条件定义、s33系泊张力幅值与循环次数提取；其中，s31系泊系统定义指系泊缆方位定义、长度定义、材料属性及水动力属性定义；s32环境条件定义指根据散布图进行定义，包括波高、周期、浪向、风速、风向、流速流向等；s33系泊张力幅值与循环次数提取指利用雨流计数法对锚链系泊张力时程进行张力幅值序列的提取；
16.所述s41简化锚链模型的建模：建模工作以规范中规定的标准无档/有档锚链为参考，取至少一个完整链环与两段半环建模；
17.所述s42裂纹扩展区域的定义：根据疲劳热点所在位置或者常见疲劳裂纹源对模型进行分割，进行网格划分，并在裂纹扩展区域划分较为精细的网格、而其他区域保持相对较粗的网格以平衡计算精度以及计算效率；
18.所述s43边界载荷以及系泊张力的施加：为准确模拟链环之间的相互作用，链环接触面之间施加面面接触，在整段锚链的一端加对称边界条件，而另一端耦合到参考点并施加系泊张力；
19.所述s44有限元分析：对插入裂纹的锚链模型进行有限元分析以求得求解裂纹前缘应力强度因子所需的应力、位移等；
20.所述s5裂纹插入及网格更新：将初始裂纹以及更新后裂纹插入到适当的位置，在franc 3d中完成裂纹的插入以及裂纹扩展区网格的更新；
21.所述s6增量计算判断，是指对当前海况下的裂纹扩展增量进行判断，以确定其值是否需要记入裂纹累积扩展量；
22.所述s7终止条件校验，是指对程序的终止条件进行判断；
23.所述s8服役年限统计根据波浪散布图之遍历次数确定，散布图遍历一遍则计数一年，总共服役年限视为裂纹尺寸扩展至临界值时散布图遍历次数。
24.进一步的，该方法还包括自适应裂纹增量优化控制，疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘应力强度因子的计算需要多次插入裂纹并更新有限元模型，因此扩展增量阈值采用自适应步长设置，仿真过程中，将其视为一个与裂纹大小相关的参数，只有当裂纹扩展增量超过阈值时，裂纹的插入和有限元模型的更新才会被执行。如果对每一个系泊张力作用下的裂
纹尺寸都予以更新无疑可以有效的提高仿真精度，但频繁的裂纹插入和模型更新势必会导致有限元模型的反复计算，这无疑会大大降低断裂力学方法在实际工程结构疲劳寿命预测中的可行性，因此需要对裂纹扩展增量的阈值予以合理控制。考虑到疲劳裂纹扩展是一个逐渐加速扩展的过程，固定的阈值通常不能适用于整个裂纹扩展的过程。在裂纹萌生阶段阈值可能过大，导致预测精度降低，而在裂纹快速扩展阶段固定阈值又可能过小，不利于计算效率的提高。
25.进一步的，所述s6增量计算判断包括如下步骤：
26.s61、根据应力强度因子、线性插值、线性累加计算当前海况下的扩展增量da,dl；
27.s62、对比当前裂纹扩展量与预设阈值th_δa，如果扩展增量小于阈值，则循环将自动进入下一个海况的计算，如果裂纹扩展增量大于预设阈值，则当前扩展增量将累积至上一个循环结果，并更新裂纹尺寸和对应的有限元模型；
28.s63、利用椭圆公式计算更新后裂纹尺寸形状。
29.进一步的，所述s61包括如下步骤：
30.s611、应力强度因子确定：对于施加的系泊张力幅值t0，可得到等效应力强度因子
[0031][0032]
其中，ki,k
ii
和k
iii
分别代表三种典型的裂纹的应力强度因子，即张开型(mode i)、滑开型(mode ii)和撕开型(mode iii)，v是材料的泊松比；
[0033]
s612、线性插值：对于任一海况对应的系泊张力时程，经雨流计数均可得到一系列张力幅值，因此，利用线性插值可以得到该海况对应的一系列张力幅值对应的应力强度因子
[0034][0035]
其中k
eqi
为当前海况张力幅值ti所对应的等效应力强度因子，k
eq0
为所施加张力幅值t0所对应的等效应力强度因子；
[0036]
s613、裂纹增量确定：运用paris公式，
[0037][0038]
可以求得裂纹上任一点扩展量，其中为裂纹前沿上某点的扩展速率，δk
eqs
为该点所对应的等效应力强度因子范围，c,m分别为材料常数；
[0039]
对于本发明，主要关注裂纹前沿最深点以及裂纹前沿表面点，因此利用上述s612得到的张力幅值序列对应的等效应力强度因子分别代入s613的paris公式便可得到每一个张力幅值所对应的裂纹扩展量，然后进行线性累加便可得到该海况对应的裂纹增量dai,dli；
[0040]
上述s612所得张力幅值序列对应的等效应力强度因子
[0041]
对于上述s62对比当前裂纹扩展量与预设阈值th_δa，通过上述s61计算的裂纹扩展量与th_δa对比，当裂纹扩展量小于阈值时，循环将自动进入下一个海况重复s612、s613并累加裂纹扩展量，如果裂纹扩展量大于阈值，则当前裂纹扩展量累加至上一循环结果。
[0042]
进一步的，所述s63包括如下步骤：
[0043]
裂纹尺寸a
i 1
,c
i 1
计算：为准确计算裂纹尺寸，本步骤引入椭圆公式计算出更新后裂纹尺寸，
[0044][0045]
其中，a
i 1
,c
i 1
分别为更新后裂纹深度以及裂纹半长，x
i 1
,y
i 1
分别为更新后裂纹前沿与链环表面交点的坐标，其中，a
i 1
通过s61以及s62计算可直接得到，而c
i 1
为椭圆公式求解对象，另外，x
i 1
,y
i 1
可分别表达如下：
[0046]
x
i 1
＝xi dl
·
cosθ
[0047]yi 1
＝yi dl
·
sinθ
[0048]
其中dl为当前裂纹前沿在其与链环表面交点处的裂纹扩展量，θ为dl对应的平面内扩展角，cosθ,sinθ可根据下式求解，
[0049][0050][0051][0052][0053]
其中为裂纹面的法向量，为裂纹面内由裂纹前沿表面点b指向裂纹前沿表面点a的向量，和分别为更新前裂纹前沿表面点的切向量以及法向量，且点c与点a同侧。
[0054]
进一步的，所述s7终止条件校验，包括如下步骤：
[0055]
s71、如果更新后的裂纹尺寸达到临界值，终止计算并跳出循环；
[0056]
s72、如果当前裂纹尺寸尚未触及临界条件，则循环继续，并进入下一个海况的循环。
[0057]
有益效果
[0058]
(1)本发明提出的方法可有效表征真实海况下锚链的疲劳性能，并对其剩余寿命予以准确预测；
[0059]
(2)通过线性插值、线性累加的应用，将每个海况对应的总扩展量转化为对应的一系列张力幅值分别对应的裂纹扩展量的线性叠加。此法既保证了裂纹扩展量的精确计算，也保证了计算效率。
[0060]
(3)通过椭圆公式的应用，精确计算了更新后的裂纹形。将裂纹简化为由裂纹深度以及裂纹长度双参数描述的裂纹，通过深度以及长度的计算来描述更新后的裂纹，既能保证计算精度，也能保证计算效率。
[0061]
(4)通过二次开发所建立的锚链疲劳寿命评估平台，实现了学科间协同作业以及数据共享和信息传递，推进了断裂力学在锚链疲劳性能研究、剩余寿命预测的应用。
[0062]
本发明为解决断裂力学在锚链疲劳问题研究中的应用，利用线性插值、线性叠加
将每个海况的裂纹总扩展量转化为对应的一系列张力幅值的裂纹扩展量的叠加；同时以裂纹深度以及裂纹长度双参数描述裂纹，利用椭圆公式准确计算更新后裂纹形状；通过对现有商业软件的二次开发，建立跨学科耦合分析平台，实现了从系泊张力时程到裂纹扩展的发展。
附图说明
[0063]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0064]
图1为本发明的疲劳裂纹扩展寿命评估流程图；
[0065]
图2为疲劳裂纹自动扩展实现方法；
[0066]
图3为验证模型系泊方案，其中(a)为系泊系统立体示意图，(b)为平面示意图；
[0067]
图4为系泊张力时程曲线与雨流计数结果，其中，(a)为海况hs＝1.5m、ts＝6.5s系泊张力时程对应的结果图，(b)为海况hs＝1.5m、ts＝6.5s张力幅值序列对应的结果图，(c)为海况hs＝6.5m、ts＝8.5s系泊张力时程对应的结果图，(d)为海况hs＝6.5m、ts＝8.5s张力幅值序列对应的结果图，(e)为海况hs＝10.5m、ts＝11.5s系泊张力时程对应的结果图，(f)为海况hs＝10.5m、ts＝11.5张力幅值序列对应的结果图；
[0068]
图5为锚链有限元模型，其中(a)为无档锚链尺寸标准，(b)为锚链的有限元模型、边界条件、相互作用，(c)为常见裂纹起源位置所对应的裂纹扩展区划分；
[0069]
图6为裂纹插入及网格划分；
[0070]
图7为应力强度因子在裂纹扩展过程中的变化，其中(a)为等效应力强度因子，(b)为i型应力强度因子ki，(c)为ii型应力强度因子kii，(d)为iii型应力强度因子kiii；
[0071]
图8为线性插值线性累加示意图；
[0072]
图9裂纹尺寸计算示意图；
[0073]
图10为典型的裂纹扩展形貌，其中(a)为锚链裂纹扩展应力图，(b)为锚链链环中的裂纹形貌，(c)为裂纹扩展过程中裂纹每年的形貌；
[0074]
图11为疲劳寿命示意图，其中(a)为不同锚链的疲劳寿命曲线，(b)为锚链上位置s1、位置s2、位置s3、位置s4在crown截面上的疲劳寿命曲线(c)为锚链上位置s1、位置s2、位置s3、位置s4在crown截面上的寿命预测，(d)为链环上crown截面、bend截面、straight截面的疲劳寿命曲线，(e)为链环上crown截面、bend截面、straight截面的疲劳寿命预测值。
具体实施方式
[0075]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076]
实施例1
[0077]
为验证本发明所提出的基于断裂力学的锚链疲劳寿命预测的方法，本发明以浮式
生产储油船(fpso)的系泊锚链的疲劳寿命预测为例做进一步阐述。
[0078]
如图1～11所示，本实施例具体包括如下步骤：
[0079]
s1：模型建模
[0080]
本实施例模型包括s11几何模型以及s12水动力模型，其中，
[0081]
s11：几何模型的创建应包含结构物尺寸及结构信息，根据结构特点，选择不同建模方式。
[0082]
s12：水动力模型是通过对几何模型的水动力性质的定义和赋值来实现，是赋予几何模型水动力属性后完成，包含湿表面的定义以及压载舱水动力属性的定义，其结构可只包含湿表面区域，而忽略其内部结构细节，但应包含舱室信息，以保证外海压力和舱室内部压力均可得以施加。
[0083]
s2：水动力分析
[0084]
水动力分析为求解结构自身运动特性和波浪载荷，其工作的开展是基于势流理论完成，内容包括：s21波浪环境定义、s22水动力属性赋予以及s23浮态调整步骤；
[0085]
s21：波浪环境是指定义势流理论分析用一系列规则波，包括浪向、波频以及工作水深等信息定义；
[0086]
s22：水动力属性赋予是指类似莫里森结构阻尼系数等水动力相关参数的定义；本实施例水动力分析计算主要基于三维势流理论完成；
[0087]
s23：浮态调整则是针对重浮力不相等或首尾吃水与实际存在差异的情况进行的模型姿态调整，多通过压载水的方式进行处理；
[0088]
s3：系泊分析
[0089]
系泊分析为求解锚链系泊张力时程，内容包括：s31系泊系统定义、s32环境条件定义、s33系泊张力幅值与循环次数提取；
[0090]
s31系泊系统定义指系泊缆方位定义、长度定义、材料属性及水动力属性定义，如图3所示；
[0091]
s32环境条件定义指根据散布图进行定义，包括波高、周期、浪向、风速、风向、流速流向等；
[0092]
s33系泊张力幅值与循环次数提取指利用雨流计数法对锚链系泊张力时程进行对应的张力幅值序列的提取。系泊张力时程与雨流计数结果如图4所示。
[0093]
s4：锚链有限元模型的建模
[0094]
锚链有限元模型的建模，具体包括以下几个步骤：s41简化锚链模型的建模、s42裂纹扩展区域的定义、s43边界载荷以及系泊张力的施加、s44有限元分析。模型如图5所示。
[0095]
s41简化锚链模型的建模：建模工作以规范中规定的标准无档/有档锚链为参考，取至少一个完整链环与两段半环建模；
[0096]
s42裂纹扩展区域的定义：根据疲劳热点所在位置或者常见疲劳裂纹源对模型进行分割，进行网格划分，并在裂纹扩展区域划分较为精细的网格、而剩余区域保持相对较粗的网格以平衡计算精度以及计算效率；
[0097]
s43边界载荷以及系泊张力的施加：为准确模拟链环之间的相互作用，链环接触面之间施加面面接触，在整段锚链的一端施加对称边界条件，而另一端耦合到参考点并施加系泊张力；
[0098]
s44有限元分析：对插入裂纹的锚链模型进行有限元分析以求得求解裂纹前缘应力强度因子所需的应力、位移等；
[0099]
s5：裂纹插入及网格更新：
[0100]
将初始裂纹以及更新后裂纹插入到适当的位置，在franc 3d中完成裂纹的插入以及裂纹扩展区网格的更新；裂纹插入及网格更新流程如图6所示；
[0101]
本实施例以初始裂纹a0＝0.5mm,c0＝0.5mm进行研究，根据插入的裂纹(包括初始裂纹以及更新后的裂纹)重新划分s42所定义裂纹扩展区域网格；
[0102]
裂纹自动扩展方法如图2所示，具体包括步骤s6、s7、s8；详述如下：
[0103]
s6：裂纹增量计算
[0104]
计算模型在初始裂纹和更新后裂纹前缘处的应力强度因子值，并通过线性插值、线性累加计算当前海况下的裂纹增量，通过当前裂纹扩展量与预设阈值th_δa的对比，判断下一步是更新裂纹抑或进入下一个海况的循环；若更新裂纹，则通过椭圆公式进行更新后裂纹形状的计算。
[0105]
s61、如图8所示，根据应力强度因子、线性插值、线性累加计算当前海况下的扩展增量da,dl，具体步骤如下：
[0106]
s611、应力强度因子确定，以张力幅值t0计算裂纹前沿应力强度因子并求得裂纹深处以及裂纹表面点的等效应力强度因子
[0107][0108][0109]
其中，k
eqa
,k
eql
分别为裂纹深处以及裂纹表面点的等效应力强度因子，v为材料泊松比。
[0110]
s612、通过线性插值、线性累加计算当前海况裂纹扩展量，利用等效应力强度因子插值公式
[0111][0112][0113]
ti为张力时程对应的一系列张力幅值的遍历，k
eqai
,k
eqli
为ti对应的裂纹深度、裂纹表面点的等效应力强度因子。
[0114]
s613、裂纹增量确定：运用paris公式，本实施例针对裂纹最深处、表面点运用如下公式：
[0115][0116][0117]
可得到所有张力幅值所对应的裂纹增量，而后，进行线性叠加即可得到该海况所对应的裂纹扩展量。
[0118][0119][0120][0121]
s62、对比当前裂纹扩展量da与预设阈值th_δa，如果扩展增量小于阈值，则循环将自动进入下一个海况的计算，如果裂纹扩展增量大于预设阈值，则当前扩展增量将累积至上一个循环结果，并更新裂纹尺寸和对应的有限元模型；在本实施例中，th_δa设置为10％当前裂纹的深度即10％ai。
[0122]
s63、裂纹尺寸a
i 1
,c
i 1
计算：如图9所示，为准确计算裂纹尺寸，本发明引入椭圆公式计算出更新后裂纹尺寸。
[0123][0124]
其中，a
i 1
,c
i 1
分别为更新后裂纹深度以及裂纹半长，x
i 1
,y
i 1
分别为更新后裂纹前沿与链环表面交点的坐标，a
i 1
通过s61以及s62计算可直接得到；而c
i 1
为椭圆公式求解对象，另外，x
i 1
,y
i 1
可分别表达如下：
[0125]
x
i 1
＝xi dl
·
cosθ
[0126]yi 1
＝yi dl
·
sinθ
[0127]
其中dl为当前裂纹前沿在其与链环表面交点处的裂纹扩展量，θ为dl对应的平面内扩展角，cosθ,sinθ可根据下式求解，
[0128][0129][0130][0131][0132]
其中为裂纹面的法向量，为裂纹面内由裂纹前沿表面点b指向裂纹前沿表面点a的向量，和分别为更新前裂纹前沿表面点的切向量以及法向量，且点c与点a同侧。典型的裂纹扩展形貌如图10所示。
[0133]
s7终止条件校验，包括如下步骤:
[0134]
s71、如果更新后的裂纹尺寸达到临界值，终止计算并跳出循环；
[0135]
s72、如果当前裂纹尺寸尚未触及临界条件，则循环继续，并进入下一个海况的循环。
[0136]
s8服役年限统计根据散布图的遍历次数确定，散布图遍历一遍计数一年，依据裂纹尺寸扩展至临界值时的散布图遍历计数便可统计出服役年限。
[0137]
如图11所示，(a)为本实施例所选锚链2、5、8、11位置为s3的crown截面计算所得的
疲劳寿命曲线；
[0138]
(b)、(c)为本实施例分别计算了锚链位置s1、位置s2、位置s3、位置s4在crown截面的寿命预测，认为当裂纹深度a达到15％锚链直径时锚链失效；
[0139]
(d)、(e)为本实施例分别计算了在crown截面、bend截面、straight截面进行的寿命预测，认为裂纹深度a分别达到了15％、30％、12％的锚链直径时锚链失效。
[0140]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。