[发明专利]一种基于可靠性的海洋立管VIV疲劳安全系数的确定方法

说明书

一种基于可靠性的海洋立管VIV疲劳安全系数的确定方法，构建对数形式的VIV疲劳损伤极限状态方程；确定影响VIV疲劳损伤的随机变量；构建各随机变量的疲劳损伤的响应面，计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数；采用一次二阶矩法，得到立管VIV疲劳可靠度指标的表达式；从年失效概率得到立管总寿命的目标可靠性指标；推导出VIV疲劳的安全系数公式；给出了计算流程和算例。本发明可用以指导海洋立管VIV的疲劳强度设计和评估。

技术领域

本发明属于海洋工程设计领域，涉及海洋立管的VIV疲劳强度设计与评估，尤其涉及一种基于可靠性的海洋立管涡激振动(Vortex Induced Vibration以下简称VIV)疲劳安全系数的确定方法。

背景技术

立管的VIV疲劳寿命由于以下的的原因，很难准确评估。一是服役期间的涡激振动响应主要是由复杂海洋环境下的浮体运动和粘性流体载荷所决定，其载荷难以准确预报；二是疲劳寿命的计算模型，包括S-N曲线和Miner线性累计方法，本身也存在一定的不确定性。在现行的规范中，为保证立管的设计寿命，对于各类传统形式的浮体-立管系统，针对低、中、高三个安全等级，统一规定了通用于所有立管及位置的相对保守的疲劳安全系数3、6、10。

发明内容

为了克服已有技术无法准确评估海洋立管的VIV疲劳强度的不足,本发明提供了一种基于可靠性的海洋立管VIV疲劳安全系数的确定方法，能有效地确定海洋立管VIV疲劳的安全系数，指导海洋立管VIV疲劳的设计，减少海洋立管VIV疲劳破坏的可能性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于可靠性的海洋立管VIV疲劳安全系数的确定方法，包括以下步骤：

步骤S1，构建对数形式的VIV疲劳极限状态方程；

步骤S2，确定影响VIV疲劳损伤的随机变量；

步骤S3，构建各随机变量的疲劳损伤的响应面，计算疲劳损伤对各随机变量的偏导数；

步骤S4，采用一次二阶矩法，得到可靠性指标的表达式；

步骤S5，从年失效概率得到总寿命的目标可靠性指标；

步骤S6，推导出VIV疲劳的疲劳安全系数公式。

进一步，所述步骤S1中，VIV疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程为

Z＝lnΔ-ln X_mod-ln T_s-ln D_V,a(A,X)

式中,Z为VIV疲劳可靠度的对数形式的极限状态方程；T_s为设计寿命(年)，是确定值；Δ为Miner准则里疲劳失效时损伤值，X_mod为模型不确定变量，Δ、X_mod通常认为服从对数正态分布，随机特性可参照相关资料确定；D_v,a(A,X_i)为VIV疲劳的年随机疲劳损伤，X_i为影响VIV损伤的主要随机变量，A是所用S-N曲线的随机参数。

再进一步，所述步骤S3中，采用泰勒级数展开法求得确定ln D_V,a的标准差：

式中，D_V,a为VIV疲劳的年疲劳损伤，其标准差用泰勒级数展开法求得。

更进一步，所述步骤S4中，采用一次二阶矩法，得到可靠性指标的表达式β为