□曹广启

上海电气风能有限公司　上海　200241

基于NCODE软件的五桩导管架焊缝疲劳寿命分析

□曹广启

上海电气风能有限公司上海200241

五桩导管架是海上风机的基础形式之一，主要由钢结构件焊接而成。由于焊缝的疲劳强度低于母材，疲劳破坏通常发生在焊缝位置处。借助NCODE软件的虚拟应变片，按照挪威船级社（DNV）疲劳设计规范的要求，通过选取焊缝区域的热点应力进行插值的方法，求得热点焊缝焊趾位置处的应力谱，然后进行焊缝疲劳寿命分析，这是研究复杂接头形式焊缝疲劳寿命最有效的方法之一。

海上风电相比陆上风电具有无可比拟的优越性，近年来在我国得到了大力发展。海上风机基础形式比较多，常见的有单桩基础、重力式基础、导管架基础、桩基—承台基础等［1］。我国海底淤泥比较深，海床土体承载能力比较差，因此对于单机容量比较大的风电机组，基础形式多选用导管架基础。笔者选用某项目使用的五桩导管架基础，进行焊缝疲劳寿命分析。五桩导管架由钢结构件焊接而成，由于焊接是一种复杂的热加工行为，即使采取严格的质量管控措施，仍然会存在一些焊接缺陷，加之焊缝的疲劳强度低于母材，在随机载荷作用下五桩导管架焊缝位置处会产生瞬变型和渐进型疲劳破坏，使用寿命会缩短，因此，选择合理的分析方法对五桩导管架焊缝疲劳特性进行研究是十分必要的。

1　焊缝疲劳寿命分析方法

焊缝疲劳寿命分析方法有名义应力法、切口应力法和热点应力法［2］。名义应力法根据焊接接头的形状和受力特性按照EN 1993-1-9《钢结构的疲劳强度》选取相应的焊接细节分类等级进行疲劳寿命分析，不同的细节等级对应不同的S-N曲线（应力寿命曲线）［3］。名义应力法使用简单，但对于复杂的焊接接头很难准确选取名义应力，因而分析结果的分散性较大，无法真实反映焊缝的疲劳特性，在工程领域的应用进而受到限制。切口应力法考虑了焊趾部位局部几何形状及大小等细节因素对焊缝疲劳特性的影响，能够比较真实地反映焊缝疲劳损伤情况，但该方法对焊趾部位几何参数的选取非常敏感，难以应用于实际的工程项目。

随着有限元分析法与计算机技术的结合，出现了采用热点应力进行疲劳分析的方法，即热点应力法。该方法选取最大结构应力或结构中危险截面上危险点的应力进行计算分析［4］。焊接接头受到缺口效应的影响，会导致焊缝焊趾处局部应力较大，因此根据DNV-RP-C203《海上钢结构疲劳设计规范》［5］，一般将焊趾选为热点进行焊缝疲劳分析。热点应力法对焊接接头几何形状及尺寸在焊趾处所造成的应力集中进行分析，忽略焊缝形状、裂纹及缺口等因素所引起的局部应力集中。由于结构的非连续性，很难用常规分析方法进行确定，采用热点应力法分析时需要与有限元软件结合，对于选取的热点区域，有限元网格必须做细化处理，从而保证计算的精度。

2　焊缝热点选取及S-N曲线构建

获得热点应力及该热点对应的S-N曲线是热点应力分析的两个核心问题。一般选用表面外推法来计算热点应力，即选取距离焊趾表面一定距离的两点或三点处的应力，进行线性或二次插值计算来确定。为了准确捕捉几何应力集中，外推点必须位于焊趾缺口效应影响区以外且距离焊趾足够近。对于五桩导管架而言，热点应力通常位于管节点连接处，根据DNV-OS-J101《海上风机设计规范》［6］，可以利用几何应力区和焊趾之间进行线性插值求得名义上的热点应力，热点应力的插值如图1所示。

图1　管节点热点应力插值法

得到结构热点应力后，必须获得与之相对应的Shot-N曲线才能对接头处焊缝疲劳性能进行分析研究，与常规的S-N曲线不同，Shot-N曲线考虑了接头类型及几何尺寸引起的应力集中效应，因而计算结果的分散性较小，能更好地满足设计要求。由于不同行业对于结构热点应力的定义及热点位置的选取有不同的理解，因而目前还没有统一的Shot-N曲线构造标准，经过Maddox［7］的大量试验及多国船级社的分析研究，得出Shot-N曲线95%的置信区间位于“FAT94”以上的位置，“FAT”是国际焊接协会（IIW）所采用的S-N曲线标准，“94”表示该曲线两百万次疲劳寿命所对应的应力幅值为94 MPa。由于FAT94和FAT90非常接近，而DNV推荐的热点应力“D”曲线与FAT90是一致的，美国船级社推荐的“D”曲线与FAT90也非常接近，因而目前多采用FAT90作为焊缝热点应力疲劳分析时的Shot-N曲线，即107次对应的常幅疲劳极限为52.63 MPa，108次对应的截止极限为33.2 MPa。综合考虑海水腐蚀环境对管节点疲劳寿命的影响，可以得到海水环境下管节点Shot-N曲线参数如图2所示（图中m为载荷级数）。

图2　海水环境下管节点Shot-N曲线

3　疲劳累积损伤理论及疲劳设计因子

目前常用的疲劳累积损伤理论有线性累积损伤理论（Palmgren-Miner准则）、双线性累积损伤理论、非线性累积损伤理论、基于热力学势的累积损伤理论和概率疲劳累积损伤理论。考虑到各理论模型的复杂程度及计算结果的准确性，目前工程应用中使用最广泛的是线性累积损伤理论。

Palmgren-Miner准则是根据功能原理推导出的累积损伤计算公式，该理论假设构件在m级载荷（σ1，σ2，…，σm）作用下被破坏，各级载荷循环次数为n1，n2，…，nm，即构件经过多次循环后被破坏。设构件破坏时吸收的净功为W，各级载荷下各构件吸收的净功分别为（W1，W2，…，Wm），则W=W1+ W2+…+Wm。设第i级载荷单独作用下一直到构件破坏的循环次数为Ni，在不考虑安全因数时有：

从式（1）可以看出，Palmgren-Miner准则没有考虑载荷顺序对疲劳累积损伤的影响，因而有一定的缺陷性。根据DNV-OS-J101《海上风机设计规范》，对海上风机基础进行疲劳寿命分析时，需要根据基础所处的腐蚀环境引入疲劳设计因子DFF（见表1）。五桩导管架腐蚀环境包含了大气区、飞溅区、全浸区、冲刷区及冲刷区以下，在基础焊缝疲劳寿命分析时，疲劳设计因子统一取3，考虑疲劳设计因子后的疲劳损伤需要满足式（2）的要求：

4　疲劳载荷

作为海上风机基础的五桩导管架不仅需要承受波浪的随机载荷，还要受到海风和风机运行时的疲劳载荷作用。根据DNV-OS-J101《海上风机设计规范》，对于海上风电机组必须同时考虑风波作用下基础结构的疲劳强度，但是不能简单地将二者进行叠加，而是必须进行耦合处理。风机在海风作用下对下部基础会产生一个随机的疲劳载荷，该载荷不仅与海风的随机特性有关，还与风机的运行工况有关。波浪对风机基础产生的随机疲劳载荷受波高、波浪周期等波况的影响。洋流会影响到海水的动水因数，原则上也需要考虑洋流引起的随机疲劳载荷，但多数情况下洋流流速较小，洋流引起的随机疲劳载荷可以忽略。

表1　疲劳设计因子

通过载荷计算软件AEROFLEX得到风载荷和波浪载荷的时间序列文件，根据风波的相互关系进行风波疲劳载荷的耦合。疲劳载荷的时间序列文件不仅可以描述某种现象或某些指标的历史发展规律，还可以对未来的发展趋势作出预测［8］，非常适合风电机组的疲劳寿命分析。对于耦合以后的风波疲劳载荷时间序列文件，可以通过NCODE软件的Schedule Create模块建立各个疲劳载荷的时间序列文件循环次数，然后通过DutyCycle模块进行加载使用，NCODE中使用的疲劳载荷时间序列文件如图3所示。

图3　疲劳载荷时间序列

在AEROFLEX软件中，各工况模拟的时间均为600 s，可以分别给出Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz6个载荷分量的时间序列文件，每个载荷工况时间序列文件中的时间乘以对应的循环次数即为20 a寿命期内的疲劳载荷时间分布情况。由于各工况载荷的时间序列文件比较大，图4只列出了CH-dlc12-a1工况在单次循环时的Fx-时间关系曲线，其中横轴为时间（s），纵轴为Fx（kN），图中Tower h=0.00 m表示塔筒底部与五桩导管架上法兰的连接面。

图4　单个载荷分量时间序列文件

5　有限元模型的建立

五桩导管架所处海床土壤条件依次为淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土和粉砂5种土壤，海床土体间接影响五桩导管架桩基的承载能力和抗变形能力。以往工程经验表明，对群桩基础进行分析计算时，如果将桩基完全固结是不合理的，必须考虑桩基和海床土体之间的相互作用［9］。根据海床土体的P-y曲线（其中P为土体反力，y为位移），在ANSYS Workbench软件中采用非线性弹簧对海床土体与五桩导管架之间水平方向的相互作用进行数值模拟，五桩导管架桩基底端采用固定约束，最终的有限元模型如图5所示。

五桩导管架的有限元模型建立完毕后，在ANSYS Workbench软件中设置相应的载荷步，添加单位载荷进行求解，方便后续疲劳分析工作。由于五桩导管架管节点比较多，而风载荷在疲劳载荷中所占的比重较大，因此综合考虑五桩导管架相对于主风向的布置情况及疲劳分析的工作量，选取焊缝疲劳损伤最严重的一处区域作为热点进行疲劳寿命分析，并按图1所示的管节点插值方法将有限元模型中的插值节点提取出来，如图6所示。

图5　五桩导管架模型

图6　焊缝热点区域插值节点

6　基于NCODE软件的疲劳分析

根据五桩导管架管节点Shot-N曲线，基于最大主应力，即MaxPrincipal进行第一轮疲劳寿命分析，找出图6插值节点中疲劳损伤最严重的5处位置作为热点，开展进一步分析，NCODE疲劳分析流程如图7所示，焊缝各节点疲劳损伤结果如图8所示，损伤值最大为0.2 318。

图7　NCODE疲劳分析流程

对于每个焊缝热点位置，在垂直于焊缝方向使用NCODE软件的Gauges模块添加2个虚拟应变片，其中热点1的虚拟应变片如图9所示。

应变片添加完毕后，通过Virtual Strain Gauge模块可以提取各个工况在单次疲劳载荷作用下的应力谱，热点1在CH-dlc12-a1工况下的Gauge1和Gauge2虚拟应变片位置应力谱如图 10所示。NCODE在提取应力谱时会根据载荷时间序列文件中数据量的多少自动设置应力谱的时间步长，笔者使用的疲劳载荷时间序列文件时间步长为0.1 s，总时间为600 s，而提取应力谱的时间步长为1 s，虽然应力谱显示的时间与疲劳载荷时间序列文件中显示的时间不一致，但总的数据量保持不变。

对5个热点位置中各应变片在各工况下得到的应力谱按图1所示的插值方法，使用NCODE的Time Series Calculator模块插值得到各个热点位置处的应力谱，再通过RainflowCycle Count模块进行雨流计数，可以得到各应力谱的雨流图，其中热点1在CH-dlc12-a1工况下的雨流图如图11所示。雨流计数法也称塔顶法，计数原理是把载荷—时间历程的时间轴向下，想象有一塔形屋顶，雨流从内侧开始，并继续往下流，根据雨流迹线来确定载荷循环。雨流计数法最大的优点是求得的应力循环与应力—应变迟滞回线求得的应力循环一致，用雨流计数法得到的应力循环求得的疲劳寿命最切合实际。由于雨流图代表了应力谱的马尔可夫矩阵，在将应力谱转换成雨流图的过程中，需要确保各雨流图的上下限一致，从而便于之后进行雨流图的组合。

图8　焊缝各节点疲劳损伤结果

图9　热点1虚拟应变片

图10　热点1应力谱（CH-dlc12-a1工况）

图11　热点1雨流图（CH-dlc12-a1工况）

得到各个热点在各工况下的雨流图后，可以使用NCODE的Schedule Create模块求得单个热点在各工况完整循环次数作用下的直方图组合，具体计算过程是：将各工况单次疲劳载荷作用下得到的雨流图中的统计数与图3中的Repeat Count相乘，得到各工况完整设计寿命期内的雨流图，然后使用Histogram Manipulation模块即可求得单个热点在所有工况作用下的雨流图，热点1组合后的雨流图见图12。

获得每个热点位置在整个疲劳载荷作用下的雨流图后，可以借助NCODE GlyphWorks模块中的SN疲劳分析功能对焊缝进行基于热点应力的疲劳寿命分析。由于平均应力会影响到疲劳寿命，对于同样的应力幅值，平均应力越高，疲劳损伤的累积就越迅速，疲劳寿命也就越短，因此在进行应力寿命分析时，必须对平均应力进行修正。根据DNV规范的要求，在进行平均应力修正时常用的是Goodman修正法。Goodman修正法用直线替代实际疲劳极限应力线，从而得到一种简化的疲劳极限曲线［10］。该曲线综合考虑了疲劳应力幅、平均应力、材料性能等因素的影响，用直线连接纵轴上的对称循环疲劳极限点来代替实际疲劳极限应力线，并用屈服极限作为应力限界对实际疲劳极限曲线进行塑性修正。目前Goodman修正曲线已广泛应用于疲劳强度设计中，如图13所示。

图12　热点1直方图组合后雨流图

图13　Goodman修正曲线

NCODE的S-N疲劳分析流程图如图14所示。最终的分析结果见表2。从表2可以看出，通过热点应力插值计算得到的焊缝疲劳损伤值略高于图8中的结果，但仍然满足式（2）的要求。

图14　NCODE的S-N疲劳分析流程图

表2　应力谱损伤计算结果

7　结论

在进行焊接件的疲劳寿命分析时，研究的重点通常是焊缝的疲劳寿命，而传统的名义应力法由于自身的局限性，有时很难解决工程实际问题。绝大部分焊接件的焊缝疲劳寿命分析都可以使用热点应力法进行，热点应力法求解的关键是热点应力Shot-N曲线的构建及热点应力的外推。根据DNV规范要求，在进行焊缝热点应力Shot-N曲线的构建时，不仅需要考虑焊缝的热点类型，还需要考虑焊缝所处的腐蚀环境。焊缝热点应力的外推是一件非常复杂的工作，借助NCODE的虚拟应变片技术可以很方便地获得热点位置的应力谱，并使用Shot-N曲线进行

焊缝的疲劳寿命分析，在保证分析结果精确度的同时，极大地提高了计算效率。综上所述，将有限元分析软件与热点应力相结合，可以很方便地进行各种焊缝疲劳寿命的分析。

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5-pile jacket is one of the basic foundation forms of offshore wind turbines，that is welded mainly by steel structured pieces.As the fatigue strength of the weld seam is lower than the parent metal endurance failure usually occurs at the location of the weld seam.With virtual strain gauge of software NCODE and in accordance with the requirements of DNV（Det Norske Veritas）fatigue design specifications，the stress spectrum at the weld toe of hotspot seamcould be obtained by interpolating the hotspot stress of the selected weld zone，and then，perform weld fatigue life analysis.The method above is one of the most effective methods to study weld fatigue life of complicated joints.

五桩导管架；NCODE软件；虚拟应变片；热点应力；疲劳寿命；分析

5-Pile Jacket；Software NCODE；VirtualStrain Gauge；Hotspot Dtress；Fatigue Life；Analyses

TH123；TK83

A

1672-0555（2016）02-051-08

2016年1月

曹广启（1984—），男，本科，工程师，主要从事风力发电机组塔筒的研究工作