Fatigue - Bài toán thiết kế mỏi

Tôi thấy a em ta hơi bị lẫn giữa phương pháp phân tích mỏi và quan điểm tính toán, điều này cũng dễ hiểu, vì đây là một trong những bài toán khó trong lĩnh vực kết cấu công trình, động đến vừa đau cả đầu mà lại mất thời gian. Mặc dù vậy nếu mà để anh em hiểu thế này thì áy náy quá. Hôm nay tranh thủ viết và post để anh em cùng đọc và nghiên cứu thêm.

Ngoài phương pháp phân tích mỏi đơn giản (Simplified fatigue analysis method), hiện nay trên thế giới còn có hai phương pháp phân tích mỏi phổ biến như sau:

• Phân tích mỏi theo phương pháp tiền định (Deterministic fatigue analysis method)
• Phân tích mỏi theo phương pháp ngẫu nhiên (xác suất) (Spectral fatigue analysis method)

Phân tích mỏi xuất phát từ số liệu đầu vào là biểu đồ số sóng vượt hoặc bảng thống kê sóng, mỗi con sóng được xem là điều hòa (Hmax, To) , ứng với mỗi sóng điều hòa đã cho, ta tiến hành phân tích kết cấu để xác định ứng suất danh nghĩa và chu trình ứng suất, đặc biệt lưu ý những chiều con sóng có tần suất xuất hiện lớn. Phản ứng đầu ra ứng của kết cấu (chuyển vị, ứng suất,.....) ứng với một con sóng cũng là một quá trình xác định. Phương pháp phân tích mỏi như trên gọi là phân tích mỏi theo phương pháp tiền định.

Phân tích kết cấu công trình xuất phát từ đầu vào từ một tập hợp các trạng thái biển ngắn hạn (đặc trưng bởi chiều cao sóng đáng kể Hs, và chu kỳ trung bình cắt “0” Tz) được mổ phỏng dưới dạng hàm mật độ phổ năng lượng sóng (xem sóng biển là một quá trình ngẫu nhiên), tiến hành phân tích động lực kết cấu (chẳng hạn phương pháp chồng mode hoặc chồng giao động riêng) sẽ cho phép nhận được phản ứng đầu ra của kết cấu (ứng suất, chuyển vị,....) cũng là một quá trình mẫu nhiên được mô phỏng dưới dạng hàm mật độ phổ (hàm mật độ phân phối xác suất). Phân tích mỏi dựa tiếp tục dựa vào quá trình ứng suất ngẫu nhiên gọi là phương pháp phân tích mỏi ngẫu nhiên, hay còn gọi là phân tích mỏi theo phương pháp xác suất.

Có 02 kỹ thuật chính để mô phỏng quá trình ngẫu nhiên là mô phỏng theo miền thời gian và mô phỏng theo miền tần số - Từ đó có thể chia ra Phương phân tích mỏi ngẫu nhiên theo miền thời gian (Time domain analysis method) - thường thì trạng thái biển được mô phỏng theo phân phối Gaussian hoặc phân tích mỏi ngẫu nhiên theo miền tần số (Frequence domain anlysis method). Trong hai phương pháp này, phương pháp phân tích theo miền thời gian được sử dụng phổ biến và hiệu quả cho tải trọng phi tuyến và phản ứng đầu ra của kết cấu là phi tuyến (non-linear structural response or non-linear loading). Ngoài ra tùy thuộc vào phổ là phổ dải rộng hay dải hẹp mà phương pháp phân tích có một vài sự thay đổi nhỏ.

Quá trình tính toán mỏi thường được tiến hành theo hai quan điểm:

• Quan điểm tổn thương tích lũy (Damage Accumulation Rule and S-N Approach ).
• Quan điểm cơ học phá hủy (Fracture mechanics Approach)

Khi tiến hành phân tích mỏi được tiến hành dựa vào lý thuyết tổn thương tích lũy của Miner – Palmgren và đường cong mỏi thực nghiệm thì gọi là phân tích mỏi theo quan điểm tổn thương tích lũy. Kết quả đầu ra là “Tổn thương cho phép –[D]” và “tuổi thọ mỏi theo quan điểm tổn thương tích lũy” –> Độ tin cậy mỏi và xác suất phá hủy mỏi. Tùy thuộc vào từng tiêu chuẩn qui phạm khác nhau mà các giá trị [D] khác nhau, ví dụ theo API RP 2A WSD thì [D] <=1, AWS D1.1 thì [D] =1/3 đối với kết cấu chính, đối với DNV thì giá trị [D] theo các vùng kết cấu ngập nước hay không? tiếp cận được hay không?

Khi phân tích mỏi dựa trên lý thuyết cơ học phá hủy -> phát triển vết nứt Paris với các tham số phát triển vết nứt (chiều sâu, bề rộng, hướng vết nứt,... ) và các tham số hình học được xác định từ thực nghiệm thì gọi là phân tích mỏi theo quan điểm cơ học phá hủy. Kết quả đầu ra là “chiều sâu vết nứt cho phép – [a]t” và “tuổi thọ mỏi theo quan điểm cơ học phá hủy”–> Độ tin cậy mỏi và xác suất phá hủy mỏi.

Lưu ý về kết quả đầu ra của các phương pháp tính toán theo hai quan điểm có sự khác nhau, nhưng kết luận cuối cùng vẫn là về độ tin cậy mỏi/xác suất phá hủy mỏi. Và việc xác định xác suất phá hủy mỏi cũng tùy theo 3 mức độ (Level) độ khác nhau (hôm nào rãnh sẽ viết về vấn đề này).

Trong tính toán thực hành thiết kế thì phân tích mỏi theo quan điểm tổn thương tích lũy thường được áp dựng nhiều hơn, phổ biến hơn. Tuy nhiên đối với các công trình đang khai thác, khi có số liệu khảo sát đầy đủ chính xác, thì phân tích mỏi theo quan điểm cơ học phá hủy cho kết quả thích hợp hơn. Phương pháp phân tích mỏi theo cơ học phá hủy thường được áp dụng nhiều trong lĩnh vực cơ khí hơn là kết cấu.

Một vài tài liệu về mỏi để anh em tham khảo:

1. DNV-RP-C203 Fatigue Design of offshore structures, 2010
2. DNV CN 30.7 Fatigue assessment of ship structuré, 2010
3. ABS Guide for the fatigue assessment of offshore structures, 2012.
4. AWS D1.1 Structural Welding Code - Steel , 2010.
5. API RP 2P AWD Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design, 2007.
6. BS EN ISO 19902:2007 Petroleum and natural gas industries - Fixed steel offshore structures
7. Nelson Szilard Galgoul, Fatigue Analysis of Offshore Fixed and Floating Structures, 2007.
8. A. Almar-Naess, Fatigue handbook Offshore Steel Structures, 1985
9. Sigurdsson, Probabilistic fatigue analysis of offshore structure, 1988.

Trong các tài liệu trên tôi thấy cuốn sách tham khảo số 8 (fatigue handbook) viết tương đối cô đọng và chi tiết, anh em nào quan tâm về mỏi nên đọc qua ít nhất một lần để tham khảo.

 

Lựa chọn hệ số mỏi thiết kế (design fatigue factor - DFF) cho các mối nối , mời các bác cho một vài ý kiến về vấn đề này ạ. Em chưa rõ lắm về khả năng tiếp cận để sửa chữa, thay thế,.... nên vẫn chưa biết chọn sao cho phù hợp?
Dưới đây là DFF theo DnV

 

Như bạn thấy ở trong công thức trên, sau khi tính được tổn thương mỏi tích lũy thì so sánh với 1/DFF (ngoài ra có thể so sánh Tuổi thọ thiết kế < DFF* tuổi thọ tính toán). Còn hệ số DFF được lựa chọn tùy thuộc vào tiêu chuẩn, cũng như vị trị của kết cấu tính mỏi. Ví dụ nhu trong bảng A1 ở trên các vị trí khác nhau thì DFF có giá trị thay đổi từ 1->3.

Một số recommendation về chọn DFF trong các tiêu chuẩn như sau:

API RP2T [API (1997)]
“General structure. In general, it is recommended that the design fatigue life of each structural element of the platform be at least three times the intended service life of the platform.”
“Tendons. … high uncertainties exist … The component fatigue life factor of ten is considered a reasonable blanket requirement.”

API RP2A [API (2000, 1993)]
“In general, the design fatigue life of each joint and member should be at least twice the intended service life of the structure (i.e., FDF = 2.0).”

Fatigue Design of Welded Joints and Components, [IIW (1996)]
For fatigue verification, it has to be shown that the total accumulated damage is less than 0.5 (i.e., FDF = 2.0).

ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels, Part 5, The American Bureau of Shipping [ABS (2001)]
No safety factor specified (i.e., an implied factor of safety on life of 1.0). However, since computed stress is based on “net” scantlings, the nominal FDF is greater than 1.0.
Offshore Installations: Guidance on Design, Construction and Certification, UK Department of Energy [DEn (1990)]
No specific value given. “In defining the factor of safety on life, account should be taken of the accessibility of the joint and the proposed degree of inspection as well as the consequences of failure.”

ISO CD 19902, International Standards Organization [ISO CD 19902 (2000)]
In lieu of more detailed fatigue assessment, the FDF can be taken from the following table:

Failure Critical Inspectable Uninspectable
No 2.0 5.0
Yes 5.0 10.0

RP-C203 Fatigue Strength Analysis of Offshore Structures, Det norske Veritas [DNV (2000)]
“Design fatigue factor from OS-C101, Section 6, Fatigue Limit States”
Design Fatigue Factor (DFF) (Table A1 of DNV-OS-C101 “Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method)”, Section 6)

The following DFFs are valid for units with low consequence of failure and where it can be demonstrated that the structure satisfies the requirement for the damaged condition according to the Accidental Limit State (ALS) with failure in the actual joint as the defined damage.
DFF Structural element
1- Internal structure, accessible and not welded directly to the submerged part.
1- External structure, accessible for regular inspection and repair in dry and clean conditions.
2- Internal structure, accessible and welded directly to the submerged part.
2- External structure, not accessible for regular inspection and repair in dry and clean conditions.
3- Non-accessible areas, areas not planned to be accessible for inspection and repair during operation

Fatigue Assessment of Ship Structures, Classification Notes No. 30.7, Det norske Veritas [DNV (1998)]

“Accepted usage factor is defined as 1.0” (FDF = 1.0)

BS 7608 Fatigue Design and Assessment of Steel Structures, British Standards Institute [BS 7608 (1993)]

The standard basic S-N curves are based on a mean minus two standard deviations.... Thus, an additional factor on life (i.e., the use of S-N curves based on the mean minus more that two standard deviations) should be considered for cases of inadequate structural redundancy.

 

Hỏi thêm về SCFs,
Chào cả nhà, mình đang phân vân về cách tính hệ số tập trung ứng suất (SCFs)
Mình đang tiến hành phân tính mỏi cho mối nối hàn nối đầu (butt-weld) cho tiết diện tròn (transition piece) đường kính 5120m chiều dày thành ống là 60mm.
Theo DNV-RP-C203 thì trường hợp mối nối hai tiết diện có chiều dày bằng nhau theo công thức (3.3.4)-trang 34. delta_0 thông thường lấy bằng 0.1t. trong trường hợp không lệch tâm delta_m sẽ bằng 0 và maximum là 4mm (theo DNV-RP-C401)như vậy SCF cho trường hợp này là <1. Mặc dù theo API-RP-2A thức tế là vẩn có nhưng do trong tài liệu của DNV delta_m định nghĩa không được rõ ràng lắm nên mình muốn hỏi xem có anh em nào trên này hiểu rõ vấn đề này chỉ giáo cho mình với.

Thực tế hiện tại mình đã có lực xuất ra từ Bladed, từ lực này tính ra Nominal stress rồi nhân với SCF ra Hot-spot stress và áp vào S-N curve là được.

 

Hệ số tập trung ứng suất SCFs là hệ số kể tới sự ảnh hưởng giữa mối nối thực tế và mô hình tính toán.
Trong khi mô hình vào các phần mềm tính toán, liên kết giữa hai phần tử tubular chỉ là 01 joint
Trong khi điểm nóng, những vị trí critical có thể xuất hiện mỏi được kiến nghị là 08 vị trí.
==> để giảm bớt sự sai khác này người ta đưa vào hệ số tập trung ứng suất SCFs do đó hệ số này có thể ">" hoặc "<" 1 theo các công thức của API và DNV mà bạn đã trình bầy.
-------------------Hướng dẫn tính SCF bằng Ansys----------------
1- Reference to "DNVGL-OS-C401" added in
section 3.2, Ref./5 of this main body report.
2- Refer to following:
(a) Actual SCF is studied in accordance with the DNVGL-RP-C203 to obtain actual stress concentration factor in order to obtain reliable SCF value compared with the conservative SCF approach derived from the empirical formula.
(b) In this analysis ANSYS as the finite element tools is utilized to model the geometry of the intended structure based on its geometry and properties to ensure accuracy of the load transfer from the brace to the chord.
(c) Once the model is built the mesh equal to txt is generated to complied with DNV codes guidance.
(d) Unit stress is calculated in order of 1 MPa to generate the nominal stress (σnominal) on the incoming load body in this case is the brace.
(e) Due to change of geometry from brace to the chord, the peak stress is occurring at this geometry change location which is defined as the notch stress (σnotch).
(f) Further SCF from hot spot stress (σhot spot) is carried out by interpolation probing at the location of 0.5t and 1.5t of mesh size in accordance of DNVGL-RP-C203 guideline
as per below.
(g) Based on this hot spot stress (σhot spot) probing results, the SCF value is obtained using the following equation
(h) SCF = (σhot spot / σnominal)
(i) As described above the nominal stress (σnominal) was generated based on 1 Mpa – unit stress, hence the value obtained from the hot spot stress (σhot spot) will be equal to SCF value for further fatigue analysis post processing.
(j) Both toe and root SCF can be obtained from this FEA simulation by probing correct principal stress at the toe and root surface.

 

em là sinh viên và em đang được học về tiêu chuẩn Dnv và API, trong đó có nói về bài toán mỏi. theo em được biết thì API tính mỏi theo phương pháp đơn giản và Dnv tính toán mỏi theo phương pháp cơ học phá hủy. vậy các Anh có thể nói cho em biết là tính theo Dnv và theo API có gì khác và giống nhau được không ạ? em cảm ơn!

 

Ý nghĩa của hệ số tập trung ứng suất SCFs của điểm nóng là gì?, vì sao trong bài toán kiểm tra bền người ta không quan tâm đến SCFs?

Các anh em cho ý kiến.

 

Chào các anh chị, theo em thấy thì ở phần trước đang bàn chủ yếu về phương pháp tính mỏi bằng phương pháp Phổ - Theo quan điểm tổn thương tích lũy , và em đã tìm sơ qua các đồ án mỏi và thấy phương pháp này thường dùng cho Jacket, em chưa tìm thấy đồ án tính mỏi nào cho Jackup

http://125.235.3.98/dspace/bitstrea... TC Khoa hoc va cong nghe_2002_T.40_ So 5.pdf

Một bài báo em tìm thấy trên mạng của 2 tác giả Phan Văn Khôi và Đào Như Mai về tính mỏi cho giàn tự nâng Jackup, cho em hỏi giữa 2 phương pháp đã bàn luận từ đầu bài và phương pháp trong bài báo này có những điểm cơ bản khác nhau gì , theo em thấy thì cả hai phương pháp đều theo quan điểm tổn thương tích lũy và mô tả sóng bằng phổ, nhưng cách thức nhập lực sóng là khác nhau phải ko ạ

 

Bác hasam119 ơi em muốn có tài liệu này. Em đang tìm hiểu về các bài toán fatigue một cách đầy đủ. Em bây giờ phải làm sao để có đc hả bác! please

 

Thanks bạn Nam Cao đã nhắc là mình có cuốn sách đó .
Thực tình mình không nhớ được là đã cho hay tặng ai hay trả lại cho ai rồi, hình như có chụp hình lại rồi gửi cho mr Admin hay sao ấy, bạn liên hệ lại Admin.
Bạn có thể tham khảo các tài liệu về mỏi mà hồi sinh viên mình có ở link dưới (trong đó có cả đồ án tốt nghiệp của mình):
https://www.slideshare.net/havansam/documents
Nếu cần thêm sự trợ giúp, bạn có thể liên hệ cô Đào Như Mai - Viện cơ học. có thể cô vẫn còn cuốn sách đó (mr Khôi thì nghỉ hưu lâu rồi).
Chúc bạn nghiên cứu suôn sẻ.
Cheer.

 

Rất cảm ơn bác hasam119!

 

Tối qua em đọc một mạch hết 3 quyển bác share, khá hay với người mới như em. Nhưng có quyển
Fatigue Handbook - Almar Naess trong phần tài liệu tham khảo của Bác, nếu bác còn bác share cho hậu bối xem với! thanks so much!

 

Bạn coi ở đây nhé