一种确定海洋平台吊机承载能力下降率的方法

摘要

本发明公开了一种确定海洋平台吊机承载能力下降率的方法，所述方法包括如下步骤：建立构成海洋平台吊机主体的结构性能数据库和几何截面参数数据库，以被测的海洋平台吊机初始设计为依据，建立吊机结构整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型，通过吊机结构模态试验与吊机结构水袋承载试验，进行测试模型与有限元模型相关性分析，校准吊机结构整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型，消除吊机整体结构有限元模型建模误差与吊机局部结构多尺度模型建模误差；将校准后的吊机整体结构有限元模型与吊机局部结构多尺度模型组合，形成试验吊机有限元多尺度基准模型；通过基准模型的有限元静力及模态计算分析，得到该吊机承载能力下降率。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种应用于海洋平台上测定吊机承载能力下降率的方法。

背景技术：

目前海洋平台吊机承载能力的计算是通过对吊机各个杆件测厚，将所测得壁厚值代入吊机初始有限元模型进行数值计算得到，这种方法未考虑安装条件、使用过程中由于海洋环境等因素造成的杆件腐蚀和结构损伤。此外，海洋平台吊机由于所受环境载荷的不同、安装使用规范性的差异，使得每一部吊机都具有单特征性，导致现役吊机较初始有限元模型已经发生了变化，仅将所测壁厚值代入初始模型中计算，缺少科学性和准确性。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种确定海洋平台吊机承载能力下降率的方法，该种方法利用测试数据修正数值有限元模型，建立被测的海洋平台吊机与有限元模型一一对应关系，通过数值计算得到承载能力的下降率。

本发明的技术方案是：该种种确定海洋平台吊机承载能力下降率的方法，其特征在于包括如下步骤:

第一步，对待检测的海洋平台吊机进行整体结构静、动态性能测试；

本步骤按照如下路径进行：

测试时，吊机吊臂处于与甲板平行的状态，即水平状态；将振动传感器布置在待检测的海洋平台吊机吊臂每段根部杆件上，这些杆件与平台甲板平行并且两两杆件相互垂直，吊臂上布置至少8支加速度传感器，经由计算得到吊模态参数；

对待检测的海洋平台吊机进行局部承载能力测试，分别采集吊臂在空载时起升50°、60°、70°和80°的应力数据和负载时起升50°、60°、70°和80°的应力数据，负载通过吊机主钩悬挂水袋实现，采集负载在吊臂起升80°的应力数据后，放空水袋中的水，继续采集此状态下吊臂由80°、70°、60°到50°的应力数据，测试时，以吊机设计载荷的25％-30％来选择水袋中水的重量；测试时，吊机吊臂上布置至少24支应变传感器，A型架上布置至少8支应变传感器，得到吊机局部应变值；

第二步，建立构成待检测的海洋平台吊机主体的材料性能数据库和几何截面参数数据库；本步骤中所述吊机主体的材料数据为Q345型钢，截面分别为圆管型钢

第三步，利用ansys有限元软件建立待检测的海洋平台吊机整体结构有限元模型与吊机局部结构多尺度模型，通过整体结构的有限元模型静力计算和模态计算得到结构质量、位移及数值模态阵型φ

第四步，建立待检测的海洋平台吊机的多质点简化模型，建立路径如下：

1)将吊机吊臂分为n段，每段视为一个质点，质点间串式连接，得到吊机多质点简化模型；提取经由第三步中获取的整体结构有限元模型中的吊臂每段顶层质量及段间质量，每段顶层由于刚体假设，可以视为一个质点，段间质量上半部分集中于上质点，段间质量下半部分集中下质点，得到多质点简化模型的质量列向量M；

2)提取经由第三步中获取的整体结构有限元模型中每段顶层4个关键点，在各顶层关键点的x和y方向分别依次施加1/4的单位力，绕z轴的关键点依次施加1/4的单位扭矩，从而可得到各节点x和y两个方向的线位移值和绕z轴的角位移值，将位于吊臂同一层上各节点线位移值和角位移值求和再平均，得到吊臂模型每段二个方向的线位移和一个角位移，即柔度系数，集成各层的柔度系数得到多质点简化模型的柔度矩阵F，由公式(1)得到刚度矩阵K；

K＝F

考虑无阻尼自由振动时，多质点简化模型振动微分方程的特征值方程为：

(K-λM)φ＝0 (2)

式中：K为结构刚度矩阵，M为结构质量矩阵，φ为结构正则化振型，φ

求解特征值方程的特征值和特征向量，得到吊机多质点简化模型各阶频率和振型；

第五步，提取经由第四步建立的吊机多质点简化模型中的模态振型φ

按照模态置信准则，即Modal Assurance Criterion，缩写为MAC，评价多质点简化模型模态振型与整体结构有限元模型振型之间的相关程度：

式中：j k表示多质点简化模型和整体结构有限元模型振型第j和第k列；

MAC值介于0与1之间，MAC等于1，表示相关极好；等于0表示两个模态毫不相干；当把所有MAC值排到一个矩阵中时，如果MAC>0.8，则利用多质点简化模型执行第六步，如果MAC<0.8，则重复第三步至第五步；

第六步，校准吊机多质点简化模型与吊机局部结构多尺度模型，消除吊机整体有限元模型建模误差与吊机局部结构多尺度模型建模误差，获得校准后的吊机整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型；校准路径如下：

基于第一步所获得的模态参数的吊机有限元模型修正，即一级修正，特征量选择MAC值、修正参数为弹性模量；

基于第一步测试应变的吊机有限元模型修正，即两级修正，特征量选择应变值，修正参数为弹性模量；

第七步，将经由第六步校准后的吊机整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型组合，形成试验吊机有限元多尺度基准模型，具体路径如下：

提取第五步中基于模态参数的模型修正和基于测试应变的模型修正，第一级基于模态参数的模型修正为吊机结构整体修正；第二级基于实测应变的模型修正为吊机结构局部修正；通过双重模型修正，以使得吊机结构有限元模型中完整呈现出现役吊机整体结构和局部结构所赋予的特征；

第八步，通过对第六步所获得的试验吊机有限元多尺度基准模型进行吊机最大承载能力F

式中f

F

f

f

F

F

F

第九步，当公式(4)和(5)同时成立时，确定吊机最大承载力为F

第十步，按照公式(6)求取海洋平台吊机的承载能力下降率η；

其中

η为承载能力下降率；

F

F

本发明具有如下有益效果：海洋平台吊机由于所受环境载荷的不同、安装使用规范性等的差异，使得每一部现役吊机都具有单特征性。现役吊机吊臂及A字架布置振动传感器，振动测试经由计算得到吊机模态参数；布置应变传感器，应力测试采集不同起升角度下的应力数据；利用有限元软件建立吊机初始有限元模型及吊机局部多尺度模型；建立吊机多质点简化模型；利用振动测试的频率振型等模态参数校准吊机多质点简化模型，利用应力测试采集的应力数据校准吊机局部结构多尺度模型，消除吊机整体有限元模型建模误差与吊机局部结构多尺度模型建模误差，获得校准后的吊机整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型，基于模态参数的模型修正和基于测试应变的模型修正。第一级基于模态参数的模型修正为吊机结构整体修正；第二级基于实测应力的模型修正为吊机结构局部修正。通过双重模型修正，确保了吊机结构有限元模型中完整全面呈现了现役吊机整体结构和局部结构所赋予的特征，经过两级修正后的基准模型可以代表现役吊机实际状态。所获得的试验吊机有限元多尺度基准模型进行吊机最大设计载荷下仿真试验，计算得到吊机承载能力下降率。

附图说明：

图1是海洋平台吊机的结构示意图。

图2是图1所示海洋平台吊机吊臂所用圆管型钢截面形状示意图。

图3是图1所示海洋平台吊机A型架所用H型钢截面形状示意图。

图4是图1所示海洋平台吊机有限元结构图。

图5是模型校准流程图。

图中，6-吊臂上立柱，7-吊臂下立柱，8-吊臂横梁，9-斜拉筋。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先给出一个具体实施例下，吊机的具体参数，吊机出厂最大承载能力300kN，吊机吊臂分为五节。

所述海洋平台吊机承载能力下降率的方法，包括如下步骤:

第一步，对待检测的海洋平台吊机进行整体结构静、动态性能测试；

本步骤按照如下路径进行：

1.动态性能测试时，吊机吊臂处于与甲板平行的状态，即水平状态；将振动传感器布置在待检测的海洋平台吊机吊臂每段根部杆件上，这些杆件与平台甲板平行并且两两杆件相互垂直，吊臂上布置至少8支加速度传感器，经由计算得到吊模态参数；

测试仪器：BDI加速度传感器，灵敏度1V/g；STS-WiFi Structural TestingSystem数据采集处理系统。

测试方法：吊臂上布置8支加速度传感器，分别布置在吊臂第二、三、四、五节第一水平方向和第二水平方向上。测试开始时，吊机吊臂水平放置，主钩无重物，随后吊臂从0°逐渐起升至最大角度，激励方式为环境激励，整个数据采集过程结束。振动频率分别为0.4805、0.9745。

2.对待检测的海洋平台吊机进行局部承载能力测试，分别采集吊臂在空载时起升50°、60°、70°和80°的应力数据和负载时起升50°、60°、70°和80°的应力数据，负载通过吊机主钩悬挂水袋实现，采集负载在吊臂起升80°的应力数据后，放空水袋中的水，继续采集此状态下吊臂由80°、70°、60°到50°的应力数据，测试时，以吊机设计载荷的25％-30％来选择水袋中水的重量；测试时，吊机吊臂上布置至少24支应变传感器，A型架上布置至少8支应变传感器，得到吊机局部应变值。

测试仪器：BDI智能传感器，精度为2.0％；STS-WiFi Structural Testing System数据采集处理系统。

测试方法：将应变传感器布置在A型架根部立柱立面处及吊机主臂第一、三、五节根部，A型架根部4个立柱上，每个立柱布置前后两个传感器，共布置8支传感器，吊机吊臂第一、三、五节根部4个主臂上布置上下两个传感器，共布置24支传感器，一共布置32个应变传感器。测试开始时，吊机主臂与水平面夹角为48.61°，主钩悬挂7.08吨水袋，此时，将传感器调零，设为初始状态，开始测试。测试过程中，将吊臂逐渐升起，与水平夹角分别为60.17°、70.31°、80.23°，回落到48.63°，将水袋放水，再次起升通过60.23°、70.58°、80.48°，整个数据采集过程结束。测得应变值见表1。

表1某海洋吊机试验应变数值

第二步，建立构成待检测的海洋平台吊机主体的材料性能数据库和几何截面参数数据库；本步骤中所述吊机主体的材料数据为Q345型钢，截面分别为圆管型钢

构成海洋平台吊机主体的结构主要有吊臂(包括立柱、横梁、斜撑)、A型架、将军柱等，为了预测吊机整体的力学性能，建立材料数据库，包括各种物理、化学及机械性能数据，如材料等级、密度、屈服强度、泊松比等，材料数据库从现行的国内外相关标准中得到。

吊机主体选用型钢制造，型钢截面数据库应包括截面的种类、尺寸、面积，转动惯量和惯性矩等参数，型钢截面的种类有L型、T型、H型、圆管等，各类钢的截面参数严格按照国标GB/T 706-2016《热轧型钢》、国标GB/T 11263-2017《热轧H型钢和部分T型钢》得到。

例如：以图1所示的某海洋平台吊机为例，起升最大角度时，设计最大钩载为300kN。该吊机吊臂立柱由圆管型钢

表2为构成该吊机结构的材料化学成分表，表3为构成该吊机结构材料的物理性能数据，表4为构成该吊机结构的材料力学性能表，表5为构成该吊机机构型钢截面参数汇总表。

表2某海洋平台吊机结构的材料化学成分表

表3某海洋吊机结构的材料物理性能表

表4某型海洋平台吊机结构的材料力学性能表

表5某海洋平台吊机结构的型钢截面参数汇总表

第三步，利用ansys有限元软件建立待检测的海洋平台吊机整体结构有限元模型与吊机局部结构多尺度模型，通过整体结构的有限元模型静力计算和模态计算得到结构质量、位移及数值模态阵型φ

以现场提供的图纸和测绘数据为依据，通过坐标法建立海洋平台吊机几何模型，吊臂总长30米，中间部分截面尺寸为1.5米×1.5米，吊臂顶部截面尺寸为1.5米×0.88米，A型架高6.47米，宽2.67米，两个关键点之间按10等分划分网格，赋予相应的截面属性，构建整体结构模型。吊机主臂由五节组成，每节根部用实体建模，构建局部结构多尺度模型，节与节之间用销子连接，在工程有限元软件中用铰接方式处理销子与销孔之间作用，故销子与销孔无需建模。有限元模型如图4所示。

第四步，建立待检测的海洋平台吊机的多质点简化模型，建立路径如下：

1)将吊机吊臂分为n段，每段视为一个质点，质点间串式连接，得到吊机多质点简化模型；提取经由第三步中获取的整体结构有限元模型中的吊臂每段顶层质量及段间质量，每段顶层由于刚体假设，可以视为一个质点，段间质量上半部分集中于上质点，段间质量下半部分集中下质点，得到多质点简化模型的质量列向量M；

2)提取经由第三步中获取的整体结构有限元模型中每段顶层4个关键点，在各顶层关键点的x和y方向分别依次施加1/4的单位力，绕z轴的关键点依次施加1/4的单位扭矩，从而可得到各节点x和y两个方向的线位移值和绕z轴的角位移值，将位于吊臂同一层上各节点线位移值和角位移值求和再平均，得到吊臂模型每段二个方向的线位移和一个角位移，即柔度系数，集成各层的柔度系数得到多质点简化模型的柔度矩阵F，由公式(1)得到刚度矩阵K；

K＝F

考虑无阻尼自由振动时，多质点简化模型振动微分方程的特征值方程为：

(K-λM)φ＝0 (2)

式中：K为结构刚度矩阵，M为结构质量矩阵，φ为结构正则化振型，φ

求解特征值方程的特征值和特征向量，得到吊机多质点简化模型各阶频率和振型；

根据吊机结构的有限元模型计算结果，在建立测试模型时，仅考虑实际结构x与y方向的横向模态和绕z轴的扭转模态，不考虑各模态之间交叉的影响。在水平载荷和扭转载荷的作用下，吊机各节的横截面作为刚体而产生运动，不发生变形，吊机立柱与斜杆完全处于弹性阶段。吊臂分为5层，从上到下每层质量分别为1267kg、1213kg、1213kg、1213kg、1135kg。

第五步，提取经由第四步建立的吊机多质点简化模型中的模态振型φ

按照模态置信准则，即Modal Assurance Criterion，缩写为MAC，评价多质点简化模型模态振型与整体结构有限元模型振型之间的相关程度：

式中：j k表示多质点简化模型和整体结构有限元模型振型第j和第k列；

MAC值介于0与1之间，MAC等于1，表示相关极好；等于0表示两个模态毫不相干；当把所有MAC值排到一个矩阵中时，如果MAC>0.8，则利用多质点简化模型执行第六步，如果MAC<0.8，则重复第三步至第五步；

由公式(3)计算得到MAC＝0.97。

第六步，校准吊机多质点简化模型与吊机局部结构多尺度模型，消除吊机整体有限元模型建模误差与吊机局部结构多尺度模型建模误差，获得校准后的吊机整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型；校准路径如下：

基于第一步所获得的模态参数的吊机有限元模型修正，即一级修正，特征量选择MAC值、修正参数为弹性模量；

基于第一步测试应变的吊机有限元模型修正，即两级修正，特征量选择应变值，修正参数为弹性模量；

模型校准是利用结构的实测数据对有限元模型的相关参数进行修正，从而达到有限元模型与实际结构动态特性相一致的技术过程，校准后的模型一般称为有限元基准模型。该吊机选择其弹性模量作为校准参数，进行迭代计算。以模态频率、模态振型、MAC为响应参数作为修正标准，最后得到吊机基于测试数据校准的有限元基准模型。模型校准流程如图5。

实测应力均值及仿真模拟值见表6

表6a某海洋吊机48.69°与60.17°立柱实测应力均值及仿真模拟值

表6b某海洋吊机70.31°和80.23°立柱实测应力均值及仿真模拟

第七步，将经由第六步校准后的吊机整体有限元模型与吊机局部结构多尺度模型组合，形成试验吊机有限元多尺度基准模型，具体路径如下：

提取第五步中基于模态参数的模型修正和基于测试应变的模型修正，第一级基于模态参数的模型修正为吊机结构整体修正；第二级基于实测应变的模型修正为吊机结构局部修正；通过双重模型修正，以使得吊机结构有限元模型中完整呈现出现役吊机整体结构和局部结构所赋予的特征；

第八步，通过对第六步所获得的试验吊机有限元多尺度基准模型进行吊机最大承载能力F

式中f

F

f

f

F

F

F

通过模拟仿真，吊机测试位置的测试应力和仿真模拟应力比较接近，可以用这个模型对吊机进行静力、动力分析及极限承载力分析，得到该部吊机的实际承载能力。在吊臂48.69°、60.17°、70.31°、80.23°有试验载荷作用时，实测吊臂最大应力均值为-34.57MPa、-30.24MPa、-24.49MPa和-17.52MPa；A字架最大应力均值为42.71MPa、33.01MPa、19.97MPa、8.48MP。数值模拟：在吊臂48.69°、60.17°、70.31°、80.23°有载作用时，吊臂最大应力均值为-35.69MPa、-30.04MPa、-23.40MPa和-17.17MPa；A字架最大应力均值为43.07MPa、34.59MPa、19.24MPa和8.80MPa。吊机水平状态下吊臂一阶频率0.48Hz，垂直状态下一阶频率0.97Hz。根据公式(4)、(5)计算,得到吊机在最大承载载荷300kN下的校核系数分别为0.9196、0.8765，均小于1。

第九步，当公式(4)和(5)同时成立时，确定吊机最大承载力为F

第十步，按照公式(6)求取海洋平台吊机的承载能力下降率η；

其中

η为承载能力下降率；

F

F

该吊机承载能力没有下降，满足该吊机原设计最大承载能力的工作要求。承载能力见表7。

表7某海洋吊机承载能力表/kN