本发明涉及海洋工程与仿真，特别是涉及一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法。
背景技术：
1、固定式导管架作为一种关键的海洋工程结构，被广泛应用于海上风电场、石油钻井平台以及海底资源开发设施中。它通过钢管相贯焊接形成的复杂空间桁架结构，不仅提供了稳固的基础支撑，还能够有效抵抗恶劣海洋环境下的各种力的作用，如风浪、海流和地震等。然而，在实际运行中，导管架会同时承受多种类型的疲劳荷载，这些荷载的复杂性和不确定性对结构的长期安全构成了挑战。
2、为了准确评估导管架在多重疲劳荷载作用下的结构健康状态，工程实践中通常采用时程分析法进行整体耦合疲劳分析。将响应时程数据进行统计后，代入疲劳损伤模型。研究采用的疲劳损伤模型主要是基于miner理论，把损伤的累积过程视为线性可叠加的，不考虑载荷的加载顺序，使得结果具有较大的保守性，从而影响对结构健康状态的准确判断。
技术实现思路
1、鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法和相应的一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算装置。
2、根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法，所述方法包括：
3、获取导管架的多尺度有限元模型；所述导管架包括多个构件；
4、确定所述导管架中的关键构件，并选取多个关键构件交汇的节点作为分析节点，确定所述分析节点的易损部位；
5、模拟风浪流荷载；
6、将所述风浪流荷载加载到所述多尺度有限元模型，并对所述分析节点的易损部位进行时程分析确定应力时程；
7、采用雨流计数法对所述分析节点的易损部位的应力时程进行统计，得到各级变应力幅和对应的平均应力，并确定所述各级变应力幅对应的等效常应力幅；
8、根据所述各级变应力幅、所述平均应力和所述等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，确定所述分析节点的易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量。
9、可选的，所述根据所述各级变应力幅、平均应力和等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，确定所述分析节点的易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量，包括：
10、根据所述各级变应力幅、平均应力和等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，按照如下公式确定所述分析节点的易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量；
11、公式为：
12、
13、
14、为各级变应力幅，为各级变应力幅对应的平均应力，为各级变应力幅作用次下对应的等效常应力幅，为各级变应力幅的总循环数，为应力幅的循环数，b、、为系数，d为结构当前的损伤值，为在该段历程内结构产生的损伤增量，为结构的总损伤值，为该历程内的总循环次数。
15、可选的，所述模拟风浪流荷载，包括：
16、模拟作用于与所述导管架连接的顶部叶片和轮毂的风荷载，模拟作用于与所述导管架连接的塔筒的风荷载，以及模拟作用于所述导管架的波浪荷载。
17、可选的，所述模拟作用于与所述导管架连接的顶部叶片和轮毂的风荷载，包括：
18、按照如下公式，模拟作用于与所述导管架连接的顶部叶片和轮毂的风荷载：
19、
20、其中，为风荷载系数；为空气密度；为叶轮扫掠面积；为瞬时风速；
21、所述模拟作用于与所述导管架连接的塔筒的风荷载，包括：
22、按照如下公式，模拟作用于与所述导管架连接的塔筒的风荷载；
23、
24、其中，为塔筒体型系数；为塔筒在垂直于风向平面上的投影面积。
25、可选的，所述模拟作用于所述导管架的波浪荷载，包括：
26、按照如下公式，模拟作用于所述导管架的波浪荷载；
27、
28、
29、
30、式中：为柱体直径；为速度风力；为惯性风力；为水深；为速度力系数；为惯性力系数；为波数；为波面高程；为角频率；为空气的比重；为重力加速度；为时间；为塔筒高度；
31、所述通过如下公式确定：
32、
33、式中：为波面高程；为p-m波能谱密度函数；为余弦波叠加个数；为频率间距；为平均频率；为频率；为初始相位。
34、可选的，所述获取导管架的多尺度有限元模型，包括：
35、获取导管架所包含的多个构件的位置信息和尺寸信息，并根据多个构件的位置信息和尺寸信息建立导管架的宏观杆系模型；
36、获取所述导管架中相贯节点的尺寸信息，根据所述相贯节点的尺寸信息建立导管架中相贯节点的细观模型；
37、将所述相贯节点的细观模型嵌入所述宏观杆系模型，得到导管架的多尺度有限元模型。
38、可选的，所述确定所述导管架中的关键构件，包括：
39、根据预设荷载，分别针对所述多尺度有限元模型中的多个构件进行应力测试，得到应力响应；
40、针对各个构件，根据所述预设荷载对应的所述应力响应，对所述构件进行易损性分析；
41、根据所述各个构件的易损性分析结果，确定关键构件。
42、根据本发明的第二方面，提供一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算装置，所述装置包括：
43、模型获取模块，用于获取导管架的多尺度有限元模型；所述导管架包括多个构件；
44、构件确定模块，用于确定所述导管架中的关键构件，并选取多个关键构件交汇的节点作为分析节点，确定所述分析节点的易损部位；
45、荷载模拟模块，用于模拟风浪流荷载；
46、荷载加载模块，用于将所述风浪流荷载加载到所述多尺度有限元模型，并对所述分析节点的易损部位进行时程分析确定应力时程；
47、时程统计模块，用于采用雨流计数法对所述分析节点的易损部位的应力时程进行统计，得到各级变应力幅和对应的平均应力，并确定所述各级变应力幅对应的等效常应力幅；
48、增量确定模块，用于根据所述各级变应力幅、所述平均应力和所述等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，确定所述分析节点的易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量。
49、可选的，所述增量确定模块，包括：
50、增量确定子模块，用于根据所述各级变应力幅、平均应力和等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，按照如下公式确定所述分析节点的易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量；
51、公式为：
52、
53、
54、为各级变应力幅，为各级变应力幅对应的平均应力，为各级变应力幅作用次下对应的等效常应力幅，为各级变应力幅的总循环数，为应力幅的循环数，b、、为系数，d为结构当前的损伤值，为在该段历程内结构产生的损伤增量，为结构的总损伤值，为该历程内的总循环次数。
55、可选的，所述荷载模拟模块，包括：
56、荷载模拟子模块，用于模拟作用于与所述导管架连接的顶部叶片和轮毂的风荷载，模拟作用于与所述导管架连接的塔筒的风荷载，以及模拟作用于所述导管架的波浪荷载。
57、可选的，所述荷载模拟子模块，包括：
58、第一荷载模拟单元，用于按照如下公式，模拟作用于与所述导管架连接的顶部叶片和轮毂的风荷载：
59、
60、其中，为风荷载系数；为空气密度；为叶轮扫掠面积；为瞬时风速；
61、所述模拟作用于与所述导管架连接的塔筒的风荷载，包括：
62、按照如下公式，模拟作用于与所述导管架连接的塔筒的风荷载；
63、
64、其中，为塔筒体型系数；为塔筒在垂直于风向平面上的投影面积。
65、可选的，所述荷载模拟子模块，包括：
66、第二荷载模拟单元，用于按照如下公式，模拟作用于所述导管架的波浪荷载；
67、
68、
69、
70、式中：为柱体直径；为速度风力；为惯性风力；为水深；为速度力系数；为惯性力系数；为波数；为波面高程；为角频率；为空气的比重；为重力加速度；为时间；为塔筒高度；
71、所述通过如下公式确定：
72、
73、式中：为波面高程；为p-m波能谱密度函数；为余弦波叠加个数；为频率间距；为平均频率；为频率；为初始相位。
74、可选的，所述模型获取模块，包括：
75、第一模型获取子模块，用于获取导管架所包含的多个构件的位置信息和尺寸信息，并根据多个构件的位置信息和尺寸信息建立导管架的宏观杆系模型；
76、第二模型获取子模块，用于获取所述导管架中相贯节点的尺寸信息，根据所述相贯节点的尺寸信息建立导管架中相贯节点的细观模型；
77、第三模型获取子模块，用于将所述相贯节点的细观模型嵌入所述宏观杆系模型，得到导管架的多尺度有限元模型。
78、可选的，所述构件确定模块，包括：
79、第一构件确定子模块，用于根据预设荷载，分别针对所述多尺度有限元模型中的多个构件进行应力测试，得到应力响应；
80、第二构件确定子模块，用于针对各个构件，根据所述预设荷载对应的所述应力响应，对所述构件进行易损性分析；
81、第三构件确定子模块，用于根据所述各个构件的易损性分析结果，确定关键构件。
82、根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，所述电子设备包括：
83、处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时如上任一项所述的基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法。
84、根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法。
85、本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
86、本发明实施例公开了一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法，方法包括获取导管架的多尺度有限元模型；确定导管架中的关键构件，选取多个关键构件交汇的节点作为分析节点，确定分析节点的易损部位；将风浪流荷载加载到多尺度有限元模型，对易损部位进行时程分析并采用雨流计数法对应力时程进行统计，得到各级变应力幅和平均应力，确定各级变应力幅对应的等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，确定易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量。本发明实施例通过lemaitre高周疲劳损伤模型计算易损部位在荷载历程内产生的疲劳损伤，可以准确地描述微缺陷演化对构件性能劣化造成的影响，能够真实的反映导管架疲劳损伤的非线性累积过程。
1.一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述各级变应力幅、平均应力和等效常应力幅，基于lemaitre高周疲劳损伤演化理论，确定所述分析节点的易损部位在荷载历程内的疲劳损伤增量，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟风浪流荷载，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模拟作用于与所述导管架连接的顶部叶片和轮毂的风荷载，包括：
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模拟作用于所述导管架的波浪荷载，包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取导管架的多尺度有限元模型，包括：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述导管架中的关键构件，包括：
8.一种基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算装置，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述增量确定模块，包括：
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述荷载模拟模块，包括：
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述荷载模拟子模块，包括：
12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述荷载模拟子模块，包括：
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述模型获取模块，包括：
14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述构件确定模块，包括：
15.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法的步骤。
16.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于多尺度模型的导管架疲劳损伤计算方法的步骤。
