基于ANSYS的浮托組塊對(duì)接插尖有限元分析

趙闊 張興 文志飛 唐占飛 高偉 魏永佳

【摘要】在海洋石油平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)浮托安裝過程當(dāng)中，對(duì)接插尖起到了組塊定位及傳導(dǎo)對(duì)接力的重要作用。本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)對(duì)接插尖進(jìn)行強(qiáng)度分析。計(jì)算和分析了不同模擬方法下的插尖分析結(jié)果，給出了利用有限元法進(jìn)行對(duì)接插尖分析的基本原則和推薦做法，對(duì)類似結(jié)構(gòu)的有限元分析具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】對(duì)接插尖 有限元 耦合自由度

導(dǎo)管架平臺(tái)已被廣泛地運(yùn)用于海洋石油工業(yè)之中，對(duì)于海上安裝重量在6000t以上的上部結(jié)構(gòu)，浮托法已成為主要的安裝方式。

浮托安裝通常可以分為進(jìn)船，位置調(diào)整，準(zhǔn)備加載，荷載轉(zhuǎn)移，繼續(xù)加載和退船幾個(gè)步驟。在荷載轉(zhuǎn)移過程中，上部結(jié)構(gòu)荷載逐步從浮托駁船轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上。為了保證荷載轉(zhuǎn)移過程中導(dǎo)管架和上部結(jié)構(gòu)的安全，需設(shè)置緩沖裝置。通常做法是在導(dǎo)管架腿頂端安裝樁腿耦合緩沖器（LMU），在駁船甲板上設(shè)置上部組塊對(duì)接緩沖器（DSU），對(duì)接方式見圖1。

上部組塊對(duì)接插尖結(jié)合LMU可將上部結(jié)構(gòu)重量平緩地從駁船傳遞到下部結(jié)構(gòu)，并吸收安裝過程中的碰撞載荷，避免局部結(jié)構(gòu)破壞，對(duì)接插尖需要保證足夠的強(qiáng)度以滿足荷載傳遞要求。

1 有限元模型的建立1.1 有限元模型

圖2給出了利用ANSYS建立的有限元分析模型。其中鋼結(jié)構(gòu)部分采用SHELL63單元，混凝土部分采用SOLID185單元。

由于插尖結(jié)構(gòu)比較簡單，采用Free自由網(wǎng)格劃分。插尖所用鋼板厚度為25～50mm，網(wǎng)格尺寸選取50mm，取得比較好的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖2所示。1.2 邊界條件加載方式

插尖上部與組塊立柱焊接在一起，將插尖上邊緣節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度給予約束，立柱模擬長度至少取一倍腿柱直徑。對(duì)接過程中，插尖底端圓錐與LMU逐漸接觸，對(duì)接力由插尖傳遞到LMU上。邊界條件加載結(jié)果見圖2。1.3 耦合自由度的運(yùn)用

由于焊接施工空間有限，加強(qiáng)筋板與插尖盲板之間未進(jìn)行焊接，需要正確考慮加強(qiáng)筋板和插尖受力后的變形協(xié)調(diào)問題。如不進(jìn)行耦合設(shè)置，盲板的變形與筋板的變形孤立，碰撞力完全由盲板和立柱承擔(dān)，其計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)際，見圖3。

如直接將加強(qiáng)筋板和盲板模擬為剛性連接，即在計(jì)算過程中，認(rèn)為盲板和加強(qiáng)筋板之間是進(jìn)行了焊接的，則筋板的受力情況也與實(shí)際有較大的出入。由于筋板和盲板未進(jìn)行焊接，加強(qiáng)筋板受力時(shí)接近一個(gè)扁梁，其截面頂部和底部應(yīng)力應(yīng)大致相等。而按照剛性連接模擬的情況下，加強(qiáng)筋板受力時(shí)相當(dāng)于一個(gè)T形截面的梁，T形梁跨中處翼緣的應(yīng)力遠(yuǎn)小于其腹板處的應(yīng)力，而T形梁交點(diǎn)處翼緣的應(yīng)力又遠(yuǎn)高于腹板處的應(yīng)力，筋板受力不合理，見圖4。圖6 浮托組塊對(duì)接插尖的有限元分析的

總體結(jié)果

由于插尖主要是受垂向力的作用，筋板與盲板緊密相連，當(dāng)盲板受力引起變形，筋板與相接觸的盲板之間應(yīng)具有相同的Z向變形。在ANSYS分析過程中，借助自由度耦合技術(shù)，把筋板節(jié)點(diǎn)與盲板相鄰節(jié)點(diǎn)的Z向自由度進(jìn)行耦合，可較好的模擬筋板對(duì)插尖及盲板的支撐作用。計(jì)算結(jié)果較好的反應(yīng)了加強(qiáng)筋板和盲板的實(shí)際受力狀態(tài)，見圖5。

1.4 對(duì)接計(jì)算結(jié)果分析

該浮托組塊對(duì)接插尖的有限元分析的總體結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示，除去筋板和立柱的交點(diǎn)以外，插尖和立柱總體上的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力值。這部分超應(yīng)力區(qū)的產(chǎn)生是由于在筋板和立柱的交點(diǎn)處未對(duì)焊縫的過渡效果進(jìn)行模擬，產(chǎn)生了一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這部分超許用應(yīng)力的區(qū)域比較有限，分布范圍小于兩個(gè)單元的大小，插尖對(duì)接分析的結(jié)果總體上是可以接受的，插尖的強(qiáng)度可以滿足組塊浮托安裝時(shí)的對(duì)接要求。

2 結(jié)論

本文針對(duì)浮托組塊普遍采用的對(duì)接插尖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和分析，考慮了加強(qiáng)筋板與插尖間耦合自由度的運(yùn)用。結(jié)果表明：

（1）若不進(jìn)行自由度耦合，兩種分析結(jié)果都嚴(yán)重偏離實(shí)際受力情況。運(yùn)用耦合自由度的方法可以較好的反映插尖與加強(qiáng)筋板之間的實(shí)際受力關(guān)系，正確評(píng)估插尖的能力，保證浮托安裝的順利、安全實(shí)施；

（2）設(shè)置耦合自由度進(jìn)行分析時(shí)，會(huì)增加一定的建模工作量。但只要將網(wǎng)格尺寸控制在1倍板厚大小左右，就能在獲得較好的網(wǎng)格劃分效果和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的同時(shí)不過多增加建模工作量。

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