单面焊接的管子接头的疲劳分析

MSL工程公司是一家英国领先的工程咨询公司，专门为离岸工程提供先进分析、评估、维修、研发、审计、核查和可靠性评价的服务。他们使用LUSAS研究单面焊接的离岸K接头的应力分布。K接头是北海结构中一种典型的腿构造，包括两个焊接在现有部分(弦)上的支承。通常焊接是比较重要的，因为它可能由于疲劳而破坏。

北海平台上管子接头的建造，通常依赖于深入到支承内部进行覆盖或完全的熔透焊接。然而通常认为，只从外部进行管子接头的焊接，是一种非常经济实用的施工方法；这种方法使得管子接头只具有单面焊接。在现有的离岸设施上对支承构件进行翻新，单面焊接是仅有的实用方法。在一些情况下，其它的支承也被需要，包括更换损坏的支承，或更新设施来支持额外的上部设备。

对于双面焊接，在内部和外部的焊接质量是相似的；对疲劳的控制部分通常是在外部，因为槽应力和应力集中系数的组合在这里更大。对于单面焊接，可能的根部故障导致在内部的焊接质量较低。因此除非在外部的应力集中系数比内部的大很多，否则潜在的疲劳问题可能在内部发生，而这通常是很难被检测到。因此，设计问题是确定在内部和外部的应力集中系数，并确定控制疲劳寿命的位置。

这个工程的时间表非常的紧，因此MSL的工程师与FEA的咨询工程师一起，在几天时间内快速地创建了有限元模型。首先，MSL使用LUSAS的前、后处理器来进行支承和弦的几何模拟。这要求在LUSAS中使用高级工具，来模拟圆筒和焊接部分的相交，建立*终的网格划分。

该项目分为两个阶段进行。**个阶段是确保有限元策略、单元类型、网格密度是合适的，能够给出精确的结果。这其中包括选择从应变计获得的哪一个实验数据，来模拟K接头的几何特征。验证分析表明，使用单层20个节点的brick单元模拟弦和支承，能够给出足够精确的结果。

第二个阶段是研究K接头的各种几何参数，例如支承和弦的直径比、弦的直径和厚度比，对应力集中系数有何影响。通过对从LUSAS获得的分析结果进行评估，MSL得出了在一些几何参数和应力集中系数之间，存在一个近似线性的关系。在未来，这些研究结果将被用于帮助，包含单面焊接的管子接头的离岸结构的疲劳评估。