两种疲劳载荷作用下海洋工程结构物疲劳评估方法研究

In view of fatigue problem of ocean engineering structures under both loads(wind and wave), an offshore wind turbine structure is intended to as subject investigated to carry out the research of fatigue assessment method under the combination of wind and wave. The sea area of Bohai is selected as the analysis place, the joint distribution of wind and wave and the response of structures are measured to determine the actual fatigue damage of structure; the relationship between wind speed and sea waves high is studied, the mathematical calculation model will be established, and the approachs of load or response superposition is carry out;the structural response caused by wave load and wind load is as a random vibration process, the finite element software ABAQUS is used to simulate the random vibration process. fatigue damage of the structure measured by testing is used as a benchmark, the relationship between the wind and waves, the combination methods of structural fatigue damage and numerical simulation methods will be validated. And, the different methods are compared. Finally, the rational fatigue assessment methods is proposed.

针对风、浪两种载荷作用下海洋工程结构物的疲劳问题，本课题拟以某海上风力发电机结构为研究对象，开展风浪联合作用下海洋工程结构物疲劳评估方法研究。选择渤海某海域作为分析场所，根据实测风浪联合分布和实测结构响应，确定实际结构的疲劳损伤；研究风速与海浪波高和周期的关系，建立数学计算模型，并开展相应的载荷或响应叠加方法研究；将海浪载荷和风载荷引起的结构响应当成随机振动过程，采用有限元软件ABAQUS模拟该随机振动过程。以实测结构的疲劳损伤为参考，对风浪之间的关系、结构疲劳损伤组合计算方法以及数值模拟方法进行验证，并分析比较各种方法的差异。最后，总结出切实可行疲劳评估方法。

随着陆地能源的匮乏和开发难度的增加，人类对能源开发的目光逐渐转向海洋。海洋工程结构物是海上能源开发的主要工具和载体，其安全性是海洋工程结构物设计、施工和使用过程中必须要考虑的问题。. 对于不同载荷作用下结构的疲劳寿命评估，不同的文献和规范给出了不同的计算方法。但是方法不统一，得到的结果也存在一定的差异。由结构的真实响应，按照雨流计数等方法计算结构损伤值，能够得到较为准确的结果。但是由于多种载荷作用下结构的载荷响应获取困难，且载荷之间存在较强的关联性，尤其是在实际海况数据不全，仅有独立的海浪和风长期分布资料的情况下，实现多种疲劳载荷作用下结构的疲劳评估较为困难。因此，本文首先对风浪环境参数进行测量，然后拟合出了风速与波高之间的分布关系。. 针对独立的海浪和风长期分布资料，以某海上风力发电机结构为例，首先用多种疲劳计算方法计算了一种载荷作用下的风力发电机结构的疲劳损伤，分析比较了不同方法的不同之处。接着采用多种方法计算两种疲劳载荷作用下风力发电机结构的疲劳损伤，分析比较各种方法的差异。. 针对载荷叠加方法，采用光滑圆棒试件，开展两种正弦波载荷叠加下的疲劳损伤验证试验，对不同方法的理论值与试验值进行比较，从而验证各个叠加方法的精度。同时开展了风机支撑结构缩尺模型试验，通过将实验测得的疲劳寿命与有限元计算得到的疲劳寿命作对比，对风载荷导致的疲劳计算方法进行验证，结果表明，有限元分析计算得到的结果疲劳寿命与实验结果取得了较好的一致性。