基于ABAQUS軟件的海上升壓站吊耳結(jié)構(gòu)強度有限元分析

馬晟翔

摘 要：現(xiàn)有某一海上風(fēng)電工程對海上升壓站進行吊裝施工。為保證吊裝的安全，吊耳強度和焊縫強度是吊裝工藝成功的最主要影響因素。而吊耳的受力比較復(fù)雜，借助ABAQUS有限元軟件對吊耳結(jié)構(gòu)進行強度校核;并對比雙層吊耳和單層吊耳的受力情況。結(jié)果表明：有限元分析能與理論計算結(jié)果較吻合，驗證有限元方法的有效性;并且改良后的雙層吊耳能更好的承擔(dān)吊裝任務(wù)。

關(guān)鍵詞：升壓站;吊耳;強度分析;數(shù)值模擬

0 前言

全球經(jīng)濟快速的發(fā)展，傳統(tǒng)能源已經(jīng)不能滿足人類的發(fā)展需求。并且由于使用煤炭、石油等一次性能源造成的環(huán)境污染已經(jīng)危害到人類的生存，尋找一種清潔能源來改善能源需求狀況的任務(wù)迫在眉睫。據(jù)估算，全世界風(fēng)能總量約1 300億千瓦，其中可利用的風(fēng)能為200億千瓦，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍，高達每年53萬億千瓦時，而風(fēng)能作為一種可持續(xù)清潔能源，可以有效的緩解能源危機與環(huán)境污染等問題，是未來主要能源的發(fā)展趨勢。另外相比于傳統(tǒng)陸上風(fēng)力發(fā)電的問題，近海風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)速平穩(wěn)、發(fā)電功率高，裝機容量大、土地占用率低、污染小、可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，更加具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

雖然海上風(fēng)電起步較晚，但近些年來在世界各地得到重視，發(fā)展迅速。全球海上風(fēng)力發(fā)電的主要市場在歐洲，大約占有市場規(guī)模84%以上。截至2018年年底，歐洲的海上風(fēng)電裝機量達到1 600萬千瓦。其中，英國是全球海上風(fēng)電的第一大國，英國海上風(fēng)電裝機總量超過700萬千瓦位居世界第一，裝機容量占全球海上風(fēng)電總裝機容量的近36%。除此之外，主要風(fēng)電市場還有德國、丹麥、瑞典、荷蘭等國家。

全球海上風(fēng)電進入高速發(fā)展時期，中國海上風(fēng)電場建設(shè)的熱潮也隨之而來。我國作為擁有廣闊海域的國家，具有優(yōu)良的發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電的條件。隨著施工技術(shù)的增強和海上風(fēng)電場離岸距離的增加，海上升壓站作為電能的匯集中心，數(shù)量也越來越多。

由于海上升壓站比較復(fù)雜，總重量又很大，一般都在陸地上整體建造，完成后在由工程船運到項目地進行一體化安裝。這使得對于吊裝工藝要求格外的嚴(yán)格，也是施工的難點。所以對于吊耳強度的要求，是整個吊裝施工工程及其關(guān)鍵的因素。

隨著數(shù)值方法和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，有限單元（finite element）理論和方法已經(jīng)成為數(shù)值仿真技術(shù)的基本方法之一，有限單元法的快速發(fā)展又極大地促進了數(shù)值仿真技術(shù)的進步。目前有限元已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機械、材料、土木、電子等專業(yè)。于萬明[1]采用模擬與試驗相結(jié)合的方法，對吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能及焊接工藝進行了系統(tǒng)的研究。肖文勇[2]等對插銷與吊耳的接觸問題進行了深入的研究，并通過數(shù)值模擬提出了相應(yīng)的改進方法;吳子昂[3]利用ANSYS軟件對于海上升壓站組塊吊耳進行了強度校核，通過布置吊裝角度優(yōu)化分析，得出吊裝在45度時為最優(yōu)的布置方式。蔡東[4]利用ANSYS軟件解決在吊耳模型計算時集中荷載的施加問題。王俊然[5]針對發(fā)動機垂直起吊和斜拉起吊，提出了不同吊耳手里的受力分解的方法，利用有限元仿真驗證了垂直起吊所受最大應(yīng)力小于斜拉起吊;并且進行模型試驗，驗證了有限元仿真的有效性。

本文以某個海上風(fēng)電場項目的海上升壓站為背景，對比分析了吊耳強度與理論計算結(jié)果;對比雙層吊耳和單層受力情況，為以后海上升壓站的吊耳結(jié)構(gòu)形式提供參考。

所進行的海上升壓站及其吊耳強度有限元分析的主要工作有：

（1）根據(jù)具體的項目要求和施工圖，建立吊耳及導(dǎo)管架有限元模型。（2）對于實體吊耳有限元模型進行網(wǎng)格的劃分。（3）根據(jù)吊裝要求施加荷載和邊界條件。（4）建立分析步進行靜力分析。（5）分析有限元模擬結(jié)果，進行數(shù)據(jù)的處理，對比分析。

1 工程實例

某上海風(fēng)電場項目進行到海上升壓站的運輸和吊裝工藝環(huán)節(jié)，為了保證項目安全順利進行，現(xiàn)需要對海上升壓站的基礎(chǔ)施工進行吊裝復(fù)核分析。海上升壓站的吊耳材料采用DH36-Z35，屈服強度為355 MPa。吊耳主板厚80 mm，夾板厚50 mm，吊耳板寬度B=690 mm，吊耳孔直徑d=210 mm，夾板外徑為250 mm。

海上升壓站結(jié)構(gòu)包括下部支撐結(jié)構(gòu)、防沉板、登錄系統(tǒng)、靠船防撞結(jié)構(gòu)、灌漿管線、J型管和吊耳，總重量達到1 304 t。

2 理論計算

施工方提供吊耳結(jié)構(gòu)形式和吊裝工藝，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對吊耳強度以及連接焊縫的驗算[6]。

根據(jù)起吊角度對荷載進行分解，以便于計算分析和模型加載。已知單個吊耳所受豎向荷載為2 167 kN，水平荷載為1 251 kN，合力為2 502 kN，安全系數(shù)取2.0。吊耳板采用DH36-Z35，屈服強度為355 MPa，材料系數(shù)為0.72，許用應(yīng)力為255 MPa;主板厚80 mm，夾板厚50 mm，吊耳板寬度B=690 mm，吊耳孔直徑d=210 mm，夾板外徑為250 mm。焊接材料按E50型焊條，角焊縫強度為200 MPa。

（1）驗算吊耳強度。

綜上，吊耳強度滿足要求。

（2）根據(jù)施工要求，焊縫高度不小于17 mm，焊縫長度為1 200 mm，計算焊縫高度he=11.9 mm，計算焊縫長度lw=1 166 mm，共2條焊縫。

綜上，焊縫強度滿足要求。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

利用ABAQUS有限元軟件建立海上升壓站及吊耳模型，海上升壓站整體計算模型以及吊耳計算模型如圖1所示。吊耳采用三維實體建模，吊耳尺寸根據(jù)項目建立，材料密度，彈性模量為，泊松比。計算過程中單位標(biāo)準(zhǔn)為長度單位m，力單位為N，應(yīng)力單位為Pa。其中吊耳采用實體建模，網(wǎng)格采用C3D8R實體網(wǎng)格進行劃分，與主體之間得接觸采用Tie綁定形式。

3.2 荷載和邊界條件施加

根據(jù)海上升壓站實際起吊工況，在受力不穩(wěn)的情況下，其中一個吊點失效，所以僅考慮三個吊點發(fā)揮作用，起吊要求將力分到每組吊點處，在每組兩個吊耳之間設(shè)置參考點，并與兩個吊耳內(nèi)表面進行耦合接觸，然后在耦合點上施加分解得到得集中力。

3.3 結(jié)果分析

對吊耳里的參考點施加集中力，運行分析軟件，模擬計算完成得到Mises應(yīng)力云圖如圖所示，靜力計算結(jié)果顯示最大應(yīng)力為142 MPa，略大于理論計算結(jié)果，兩者最大應(yīng)力相差7.5%，誤差在可接受范圍之內(nèi)，表明用有限元軟件模擬吊耳分析其強度的有效性。

4 對比分析

基于上述理論計算和模擬分析的結(jié)構(gòu)，我們再考慮一下單層和雙層吊耳的強度有多大的影響，利用有限元軟件再建立單層吊耳與上文中的雙層吊耳進行對比分析，由于主要研究的是吊耳強度，筆者現(xiàn)就單獨建立吊耳模型，簡化海上升壓站下部結(jié)構(gòu)模型。邊界條件的設(shè)置方式為單層吊耳側(cè)壁進行的邊界約束，設(shè)置參考點與內(nèi)表面耦合約束，再施加集中力后運行程序。

有限元模擬計算得到的結(jié)果如圖3所示。

將兩種形式的吊耳結(jié)構(gòu)對比分析，在60°起吊過程中，吊耳內(nèi)壁受到起吊受壓產(chǎn)生較大的應(yīng)力。從模擬結(jié)果可以看出單層吊耳的最大應(yīng)力結(jié)果幾乎是雙層吊耳的兩倍?？芍p層吊耳可以共同承擔(dān)來自下部結(jié)構(gòu)的荷載，并且結(jié)構(gòu)的形式能夠提高吊耳的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文依托海上風(fēng)帶工程實例，對海上升壓站的吊耳模型強度進行了理論計算分析，然后利用大型有限元軟件ABAQUS對大重量的海上升壓站進行數(shù)值模擬計算分析，對比理論計算結(jié)構(gòu)驗證有限元分析的可靠性，為工程核算強度提供參考，節(jié)約成本。

建立單層吊耳有限元模型，對雙層吊耳和單層吊耳模型對比分析，得到雙層吊耳的型式能夠更好的抵抗應(yīng)力變形，提高吊耳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為今后的工程提供結(jié)構(gòu)上的參考。

參考文獻：

[1]肖文勇，佘凱.吊耳局部有限元建模技術(shù)分析[J].船舶工程，2009，31（S1）：94-97.

[2]于萬明，王喜聞，張曉音，等.船舶吊裝眼板安全可靠性分析[C].第十一屆全國實驗力學(xué)學(xué)術(shù)會議.

[3]吳子昂，張曉蕊.基于ANSYS軟件的海上升壓站上部組塊吊耳的有限元分析[J].水電與新能源，2020，34（9）：46-49.

[4]蔡東，賈獻林，王瑋哲.基于有限元法的海上升壓站組件吊耳強度計算[J].中國海洋平臺，2020，35（5）：80-84.

[5]王俊然，程市，曾超，等.基于有限元仿真的發(fā)動機吊耳強度分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2020，37（6）：13-17.

[6]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社，2003.