基于ABAQUS的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)研究

李世銘， 譚 越， 王春升

(中海油研究總院， 北京 100027)

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基于ABAQUS的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)研究

李世銘， 譚 越， 王春升

(中海油研究總院， 北京 100027)

該文基于Abaqus/Standard程序，計(jì)算得出了有限元熱點(diǎn)應(yīng)力修正系數(shù)。在此基礎(chǔ)之上分析了K型管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力沿相貫線區(qū)域變化趨勢，討論了單元類型對于熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的影響以及有限元方法與SACS程序EFT經(jīng)典理論的區(qū)別，分析了空間管節(jié)點(diǎn)不同平面桿件之間對于應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響。

ABAQUS；應(yīng)力集中系數(shù)；熱點(diǎn)應(yīng)力；疲勞設(shè)計(jì)

0 引言

在固定式導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，疲勞壽命一般采用S-N曲線來描述，其中S代表了節(jié)點(diǎn)中沿焊縫周圍最大的應(yīng)力幅值，而應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)直接決定了實(shí)際應(yīng)力循環(huán)幅值[1,2]。因此，將管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析結(jié)果作為海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命估算的依據(jù)，以解決管節(jié)點(diǎn)的安全問題，是目前海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)需要解決的重要課題之一[2]。

目前，就導(dǎo)管架平臺(tái)疲勞評估中應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算，工程設(shè)計(jì)人員普遍采用SACS軟件中的Elthymiou公式[3]。該方法根據(jù)大量有限元計(jì)算結(jié)果擬合得出了適用于T型、Y型以及K型等簡單搭接關(guān)節(jié)點(diǎn)的方程組。然而，對于由多個(gè)簡單管節(jié)點(diǎn)焊接而成的復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)的計(jì)算，SACS程序的做法是將其拆分為幾個(gè)簡單管節(jié)點(diǎn)分別計(jì)算SCF值之后再進(jìn)行疲勞評估。因此，該文基于Abaqus/Standard程序，求解管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，以探討復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)中不同平面的簡單管節(jié)點(diǎn)之間對于SCF值的相互影響，為管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)提供參考。

1 有效性驗(yàn)證

1.1 驗(yàn)證模型

計(jì)算方法有效性驗(yàn)證是后續(xù)工作的前提，該文參考DNV-RP-C203疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范[4]中的試件1和試件2進(jìn)行分析，試件幾何模型如圖1所示。

圖1 試件幾何模型

1.2 熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算及單元選取

表1 不同單元類型試件熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，目標(biāo)值與計(jì)算值的誤差基本控制在了15%以內(nèi)，具備了較高的工程精度。而且采用Abaqus/Standard計(jì)算得到的值都大于目標(biāo)值，后續(xù)的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果將乘以f以做修正。

2 K型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)值分析

2.1 幾何模型

該文采用的K型管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)如圖2所示，具體尺寸見表2。

圖2 K型管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)符號

表2 K型管節(jié)點(diǎn)尺寸

2.2 載荷施加與邊界設(shè)置

采用API RP 2A中的加載方式以方便與SACS中EFT公式計(jì)算值進(jìn)行對比，如圖3所示。

圖3 邊界及載荷條件

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

分別采用殼元(CPS8)與固體元(C3D20)進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果考慮修正系數(shù)。該文僅以面內(nèi)彎矩加載時(shí)的情況來分析有限元計(jì)算結(jié)果與SACS程序EFT公式的結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。圖5中Φ為沿焊縫一周的角度，零點(diǎn)位于Crown Heel冠踵。

圖4 面內(nèi)彎矩加載時(shí)K型管節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

圖5 面內(nèi)彎矩加載時(shí)弦管與撐管SCF值沿焊縫變化趨勢

由計(jì)算結(jié)果可以看出，對于弦管與撐管SCF值沿焊縫變化趨勢，殼元模型與三體元模型計(jì)算結(jié)果變化趨勢基本一致。表3列出了不同單元類型受平面內(nèi)彎矩作用時(shí)撐桿和弦桿的SCF值與EFT計(jì)算值的比較結(jié)果。

表3 受平面內(nèi)彎矩作用時(shí)撐桿和弦桿的SCF值比較

結(jié)合圖4、圖5和表3可以看出，與EFT經(jīng)典理論計(jì)算結(jié)果不同，由數(shù)值計(jì)算方法得出的熱點(diǎn)應(yīng)力并非位于冠部跟點(diǎn)，而是在與跟點(diǎn)夾角30°左右的位置。這與API RP 2A規(guī)范[4]描述一致，也在一定程度上證實(shí)了該文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。另外，殼單元模型應(yīng)力集中系數(shù)結(jié)果較實(shí)體單元模型小，這是由于殼單元并不能模擬出管節(jié)點(diǎn)相貫線撐桿與弦管壁厚方向的應(yīng)力變化，即忽略了壁厚的影響?？梢妼?shí)體單元能夠更真實(shí)地描述管節(jié)點(diǎn)相貫線附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

然而，計(jì)算效率對于海工設(shè)計(jì)是一個(gè)不可忽視的因素。建立實(shí)體單元模型的最大缺點(diǎn)就是網(wǎng)格劃分慢，有時(shí)可能需要專門的網(wǎng)格劃分軟件,如Hypermesh、Femap等來提高網(wǎng)格質(zhì)量，此舉不可避免地降低了設(shè)計(jì)效率。所以面對設(shè)計(jì)效率與計(jì)算精度這一矛盾，采用8節(jié)點(diǎn)厚殼單元來提高效率也是可以的。

3 空間管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)數(shù)值分析

SACS程序中EFT理論主要針對簡單管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，即所有桿件都在一個(gè)平面或者平面間的角度不超過15°。例如，對于如圖6所示的空間管節(jié)點(diǎn)，SACS程序的EFT理論的具體做法是將其拆分成如圖7(a)和圖7(b)所示的K型節(jié)點(diǎn)和T型節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算其SCF值，再利用S-N曲線校核其壽命。為探究管節(jié)點(diǎn)不同平面桿件的影響，針對圖6、圖7所示模型進(jìn)行述職計(jì)算，其中參照API RP 2A中K、T型簡單管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載以及邊界條件的設(shè)置。SACS程序以及有限元計(jì)算結(jié)果分別見表4、表5。為了方便比較，將圖6、圖7(a)與圖7(b)所示模型分別命名為模型1、模型2和模型3。

圖6 空間管節(jié)點(diǎn)模型(模型1)

圖7 空間管節(jié)點(diǎn)拆分結(jié)果

表4 SACS程序計(jì)算結(jié)果

節(jié)點(diǎn)類型桿件直徑(cm)厚度(cm)AX CRAX SDIN PLOU PLK型撐桿61．01．32．52．52．685．76弦桿76．22．23．493．492．247．74T型撐桿61．01．32．467．252．637．09弦桿76．22．24．088．482．729．51

表5 空間管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算結(jié)果

其中：AX-CR表示軸向加載時(shí)冠點(diǎn)位置；AX-SD表示軸向加載時(shí)鞍點(diǎn)位置；IN-PL表示面內(nèi)彎矩加載；OU-PL表示面外彎矩加載。

由表4、表5計(jì)算結(jié)果可知，對于圖6所示的YZ平面的K型節(jié)點(diǎn)，XZ平面的T型撐桿將使其SCF值略增大；而反過來，YZ平面的K型節(jié)點(diǎn)的存在將大大減小XZ平面T型節(jié)點(diǎn)在各種加載模式下的SCF值。不同平面之間桿件的存在將影響其他平面桿件的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算結(jié)果。而SACS程序中并沒有考慮平面外不同類型節(jié)點(diǎn)之間的相互影響，由此也將影響到疲勞壽命的評估。

4 結(jié)論

該文基于Abaqus/Standard模塊，參照最新DNV疲勞規(guī)范驗(yàn)證了計(jì)算方法的有效性，并對簡單K型管節(jié)點(diǎn)與空間管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算，得到如下結(jié)論：

(1) 采用該文計(jì)算方法，DNV疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范中的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算值與目標(biāo)值的誤差基本控制在了15%以內(nèi)，而且無論是殼單元還是實(shí)體單元，計(jì)算值都大于目標(biāo)值，即有限元熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算皆小于1。

(2) 選用殼單元建模，計(jì)算時(shí)在減小儲(chǔ)存空間、縮短運(yùn)算時(shí)間的基礎(chǔ)上保證了一定的精度。但其采用中面軸線建模的方式將無法真實(shí)反映關(guān)鍵內(nèi)外表面的應(yīng)力。實(shí)體單元能夠更真實(shí)的描述管節(jié)點(diǎn)相貫線附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是網(wǎng)格劃分的困難將導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率降低。

(3) 相較于SACS程序中的EFT理論，采用有限元建模計(jì)算的方式能夠更加準(zhǔn)確的找到熱點(diǎn)應(yīng)力位置與大小。SCF經(jīng)典公式只針對簡單管節(jié)點(diǎn)而無法計(jì)算真實(shí)的、復(fù)雜的空間節(jié)點(diǎn)形式，而實(shí)際上，不同平面之間桿件的存在將影響其他平面桿件的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算結(jié)果。因此，復(fù)雜空間節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)值建模很有必要。

[1] Peter W M. Design of Welded Tubular Connections-Basis and use of AWS Code Provisions[R]. Civil Engineering Consultant, Shell Oil Company, Houston, Texas, U.S.A. 1992.

[2] 楊錚,金偉良. Y型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)有限元分析[J]. 中國海洋平臺(tái)，2004，19(4)：17-21.

[3] 姜萌. 近海工程結(jié)構(gòu)物—導(dǎo)管架平臺(tái)[M]. 大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.

[4] API RP 2A. Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[S].2000.

[5] DNV-RP-C203.Fatigue strength analysis of offshore steel structures[S]. 2010.

Research on Stress Concentration FactorBased on ABAQUS

LI Shi-ming， TAN Yue， WANG Chun-sheng

(CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

The paper obtained the hot spot stress correction factor by referring to DNV RP-C203. On These Foundations, variation tendency of k joints intersecting line area is analyzed; the influence of element type on calculated result of FE hot spot stress and the difference between FE method and Efthymiouequation are discussed; the influence of non-coplanar member on SCF is calculated.

ABAQUS; SCF; hot spot stress; fatigue design

2014-11-06

國家科技重大專項(xiàng) “南海深水油氣開發(fā)示范工程”(2011ZX05056)。

李世銘(1987-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0095-06

P75

A