固定式平臺吊機(jī)底座加強(qiáng)筋板疲勞分析

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

海洋平臺吊機(jī)對海上生產(chǎn)影響重大，吊機(jī)底座在操作工況下其根部承受較大的荷載，為了滿足其強(qiáng)度等要求，需要在其根部設(shè)置加強(qiáng)筋板。吊機(jī)底座加強(qiáng)筋板與吊機(jī)立柱相連的位置存在應(yīng)力集中問題，在長期往復(fù)荷載的作用下，該位置可能產(chǎn)生裂紋而發(fā)生疲勞破壞。當(dāng)筋板連接部位失效后，可能導(dǎo)致吊機(jī)底座強(qiáng)度不足而發(fā)生整體破壞，因此對加強(qiáng)筋板的疲勞研究顯得尤為重要。目前國內(nèi)疲勞研究多集中在吊機(jī)結(jié)構(gòu)本身和吊機(jī)底座結(jié)構(gòu)，沒有對吊機(jī)底座的加強(qiáng)筋板進(jìn)行疲勞分析，本文基于規(guī)范要求以及數(shù)值分析建立一套針對吊機(jī)底座加強(qiáng)筋板的疲勞分析方法，可以為工程設(shè)計提供參考。

1 疲勞分析

本文以渤海某固定式平臺的吊機(jī)為例，建立吊機(jī)底座和加強(qiáng)筋板的有限元模型，基于API-2C規(guī)范[1]計算疲勞荷載，通過有限元計算得到筋板與底座相連處的熱點(diǎn)應(yīng)力，依據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范[2]對其進(jìn)行疲勞校核。吊機(jī)模型示意圖如圖1所示。

圖1 吊機(jī)模型示意圖

1.1 疲勞荷載

API-2C[1]規(guī)定在沒有有關(guān)吊機(jī)荷載預(yù)計頻率和大小的情況下，吊機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計，應(yīng)在最不利的半徑條件下，能承受50%的船上起升荷載及相關(guān)水平荷載至少1 000 000個循環(huán)。應(yīng)力范圍宜為：上述荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與吊臂在相同位置未裝載的情況下承受荷載之間的差值。對于固定式平臺而言，吊機(jī)水平荷載主要是考慮吊機(jī)底座傾斜產(chǎn)生的水平力，荷載值較小，為簡化計算不予考慮。本文參照國外吊機(jī)廠家的常規(guī)做法，計算疲勞時考慮吊機(jī)臂旋轉(zhuǎn)180°計算疲勞應(yīng)力幅值。

1.2 有限元模型

計算所用吊機(jī)的主要參數(shù)見表1，吊機(jī)底座結(jié)構(gòu)及筋板構(gòu)造示意圖如圖2所示。

表1 吊機(jī)主要參數(shù)

圖2 吊機(jī)底座結(jié)構(gòu)示意圖

吊機(jī)底座有限元計算模型如圖3所示，模型選用SHELL 93單元，該單元為8節(jié)點(diǎn)單元，該單元相比4節(jié)點(diǎn)單元計算精度更高。重點(diǎn)區(qū)域單元網(wǎng)格大小取1倍筋板厚度，其余位置采用200 mm×200 mm的稀疏網(wǎng)格。主梁端部和管底部固接約束，管頂部建立耦合約束，荷載施加在中間的耦合節(jié)點(diǎn)上。材料的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。

圖3 吊機(jī)底座有限元計算模型

1.3 熱點(diǎn)應(yīng)力計算結(jié)果

圖4為吊機(jī)應(yīng)力計算云圖，可以看出：最大應(yīng)力出現(xiàn)在筋板和底座立柱相連位置，該位置應(yīng)力集中效應(yīng)較大。有限元應(yīng)力集中分析對單元類型和網(wǎng)格尺寸較敏感，在減小單元尺寸時，應(yīng)力在不連續(xù)處會趨于無限大，因此需要根據(jù)特定的方法評估應(yīng)力集中處的單元應(yīng)力。根據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范[2]，可以根據(jù)距離計算t/2和3t/2(t為筋板厚度)位置處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，插值得到計算點(diǎn)處的熱點(diǎn)應(yīng)力。

圖4 吊機(jī)應(yīng)力云圖

由圖4 b)可知：t/2和3t/2位置處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分別為σt/2=57.52 MPa，σ3t/2=50.10 MPa，可求得計算位置的熱點(diǎn)應(yīng)力Δσ=0.5×(3×σt/2-σ3t/2)=61.23 MPa。

1.4 疲勞校核

根據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范[2]，S-N曲線表達(dá)式如下，圖2熱點(diǎn)應(yīng)力位置的連接類型為D類。

(1)

疲勞損傷值D為

(2)

式中：n為吊機(jī)荷載實(shí)際循環(huán)次數(shù)。

計算結(jié)果顯示：該位置的疲勞損傷滿足要求。

2 筋板參數(shù)對疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力的影響

本節(jié)對筋板參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，分別考慮筋板寬度、筋板厚度、筋板高度對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響。單一參數(shù)變化對應(yīng)的工況見表2。

表2 單一參數(shù)變化的計算工況

2.1 筋板寬度的影響

圖5為當(dāng)筋板寬度改變時計算位置熱點(diǎn)應(yīng)力的變化趨勢圖，可以看出：當(dāng)筋板寬度增加時，熱點(diǎn)應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)筋板寬度增大到一定程度時，增幅逐漸減小。

圖5 筋板寬度對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響

2.2 筋板高度的影響

圖6為當(dāng)筋板高度改變時計算位置熱點(diǎn)應(yīng)力的變化趨勢圖，可以看出：當(dāng)筋板高度增加時，熱點(diǎn)應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)高度增加到一定程度之后，熱點(diǎn)應(yīng)力降幅變緩。

圖6 筋板高度對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響

2.3 筋板厚度的影響

圖7為當(dāng)筋板厚度改變時計算位置熱點(diǎn)應(yīng)力的變化趨勢圖，可以看出：當(dāng)筋板厚度增加時，熱點(diǎn)應(yīng)力略有增加。

圖7 筋板厚度對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響

3 結(jié) 論

本文基于DNV和API規(guī)范和有限元計算，建立了一套吊機(jī)底座筋板結(jié)構(gòu)疲勞計算的設(shè)計方法，針對筋板參數(shù)對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)論如下：

(1)筋板和吊機(jī)立柱相連上端點(diǎn)位置的熱點(diǎn)應(yīng)力最大，該位置的疲勞問題應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

(2)分析了吊機(jī)底座加強(qiáng)筋板單一參數(shù)對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響，筋板寬度越小，高度越高，熱點(diǎn)應(yīng)力越小，與寬度及高度相比，筋板厚度對熱點(diǎn)應(yīng)力的影響較小。

[1] American Petroleum Institute. Offshore Pedestal-Mounted Cranes: API-2C[S]. 2012.

[2] American Petroleum Institute. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design: API-RP2A-WSD [S]. 2016.