[發明專利]海洋工程結構物多軸疲勞應力監測方法

在審

• 申請號: 202110010370.3
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112836402A
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 周雷;劉剛;黃一;王巍巍;李天戈;張振興;張陽;李政潤;張傳杰;劉永波
• 申請（專利權）人: 海洋石油工程股份有限公司;大連理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京東方靈盾知識產權代理有限公司 11506
• 代理人: 鄭利華

本發明公開了一種海洋工程結構物多軸疲勞應力監測方法，包括以下步驟：對結構物疲勞關鍵位置應力分析，找出其主要受載形式；建立疲勞關鍵位置有限元模型，得到疲勞熱點處熱點應力；遠離疲勞熱點處布置應變傳感器，得到表征各簡單受載形式的特征應力；根據各簡單受載形式之間的線性關系，列應力轉換方程得到轉換矩陣；將結構物實際載荷監測的特征應力和轉換矩陣相乘得到其實際載荷作用下的疲勞熱點處應力。本發明的多軸疲勞應力監測方法采用在遠離熱點區域布置傳感器，可一次性獲得疲勞熱點處的全部應力狀態，得到監測結果可直接用于多軸疲勞評估，通過不同載荷線性組合相互疊加，在準確受力分析基礎上可實現各種不同形式結構的疲勞應力監測。

技術領域

本發明涉及海洋工程技術領域，具體而言，特別涉及一種海洋工程結構物多軸疲勞應力監測方法。

背景技術

海洋工程結構物長期處在復雜多變的海洋環境中，風浪的長期作用使得疲勞破壞成為了一種不可忽視的重要破壞形式。目前，工程上主要采用有限元法計算疲勞熱點位置的應力狀態，基于S-N曲線并結合譜分析方法對船舶與海洋工程結構進行疲勞壽命評估。然而，有限元模型以及約束條件的簡化處理都會產生計算誤差，各種誤差的累積會使應力計算結果與結構真實的應力響應不符，從而使得疲勞評估結果呈現出很大的分散性。近年來，結構健康監測在工程上得到廣泛的應用，利用在結構表面直接監測到的結構響應進行疲勞損傷評估，一方面可以節省大量的水動力計算和結構有限元分析的計算量，另一方面，直接監測得到的結構響應比數值分析結果更加接近結構的真實受力狀態，因而能夠更加準確的評估結構的疲勞強度。

目前，工程上用于疲勞評估的應力監測方法主要有兩種：名義應力監測法和熱點應力監測法。名義應力監測法通過測量遠離疲勞熱點處的名義應力，結合有限元計算或應力集中系數，得到疲勞熱點應力。名義應力監測法具有便于測量的特點，適用于結構受力形式簡單明確，應力集中系數確定的結構。但大多數海洋工程結構物受力形式、結構形式都很復雜，簡單使用名義應力無法準確描述結構物所受的疲勞載荷，應力集中系數也很難確定，具有一定的局限性。熱點應力監測法基于熱點應力的插值特點，將傳感器布置在熱點應力插值點處，直接得到熱點應力。然而使用熱點應力法需要準確獲取插值點處的應力，對傳感器布置精度提出了很高的要求。另外，由于監測熱點應力時傳感器一般垂直于焊縫布置，只能得到熱點處的單向應力分量，難以用于多軸疲勞壽命評估。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決現有技術中的上述技術問題之一。有鑒于此，本發明需要提供一種采用在遠離熱點區域布置傳感器，可一次性獲得疲勞熱點處的全部應力狀態，得到監測結果可直接用于多軸疲勞評估，通過不同載荷線性組合相互疊加，在準確進行受力分析基礎上可實現各種不同形式結構的疲勞應力監測的海洋工程結構物多軸疲勞應力監測方法。

本發明提供一種海洋工程結構物多軸疲勞應力監測方法，包括以下步驟：

S1、對結構物易產生疲勞破壞的疲勞關鍵位置進行應力分析，找出其在實際工作狀態下的主要受載形式；

S2、建立疲勞關鍵位置的有限元模型，將分析得到的簡單受載形式分別加載到結構物上，得到疲勞熱點處的熱點應力[σ_h]；

S3、在遠離疲勞熱點處布置應變傳感器，得到可以表征各簡單受載形式的特征應力[σ_e]；

S4、根據各簡單受載形式之間的線性關系，列出應力轉換方程，得到特征應力[σ_e]和熱點應力[σ_h]之間的轉換矩陣[C]；

S5、將所述結構物受實際載荷作用時監測得到的特征應力[σ_e,real]和計算得到的轉換矩陣[C]相乘，得到實際載荷作用下結構物的疲勞熱點處應力[σ_h,real]。

根據本發明的一個實施例，步驟S1中，所述結構物實際工作狀態下的主要受載形式為彎曲、拉伸、扭轉等簡單載荷形式其中的一種或多種組合形式。