導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)3 種有限元模擬分析方法的研究對(duì)比

靳寶旺

(海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

0 引 言

導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)是導(dǎo)管架設(shè)計(jì)中十分重要的一個(gè)附件，是導(dǎo)管架海上能否順利施工吊裝的直接影響因素，這就要求在實(shí)際項(xiàng)目中對(duì)于吊裝吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要有額外的關(guān)注[1]。吊裝吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核通常采用Excel 公式校核與有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核相結(jié)合的方法，并通過表格公式計(jì)算與有限元結(jié)果分析來驗(yàn)算導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足海上吊裝作業(yè)要求[2]。

本文僅以ANSYS 17.1 有限元軟件為例，介紹用ANSYS 軟件模擬導(dǎo)管架吊裝吊點(diǎn)的3 種方法[3]：第1 種是利用殼單元進(jìn)行模擬分析，該方法具有建模簡便、模型小、計(jì)算耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，但殼單元主要分析薄殼結(jié)構(gòu)，在分析吊點(diǎn)板這種較厚的板材時(shí)計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)度并不理想；第2 種是利用實(shí)體單元進(jìn)行模擬分析，該方法具有應(yīng)力分布均勻、計(jì)算結(jié)果較貼合實(shí)際情況的優(yōu)點(diǎn)，但建模時(shí)間略長，未考慮焊縫的結(jié)構(gòu)模擬，不能反映焊縫的真實(shí)受力情況；第3 種是利用實(shí)體單元與接觸單元相結(jié)合的方法進(jìn)行模擬分析，該方法的計(jì)算結(jié)果最準(zhǔn)確，也最貼合實(shí)際情況，但其建模復(fù)雜，計(jì)算耗時(shí)最長。這3 種模擬分析方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際項(xiàng)目中都有著廣泛的應(yīng)用。

下面以渤海海域某導(dǎo)管架的吊裝吊點(diǎn)為例，分別介紹3 種方法的詳細(xì)模擬過程和結(jié)果。

1 吊裝吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式

吊點(diǎn)高度2 700 mm，主板厚度80 mm。主板兩側(cè)貼有2 層頰板，內(nèi)頰板厚度65 mm，外頰板厚度55 mm，吊點(diǎn)孔直徑275 mm。內(nèi)頰板與主板之間采用填腳焊的連接方式，焊高55 mm；外頰板與內(nèi)頰板之間同樣采用填腳焊的連接方式，焊高45 mm，除此之外，其余吊點(diǎn)板結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的連接方式均為剖口焊接。具體吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式圖Fig.1 Structural form of lifting padeye

2 有限元模擬分析

2.1 有限元模型

根據(jù)吊裝吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式圖，采用ANSYS 軟件分別建立3 種結(jié)構(gòu)形式的有限元模型，模型包括吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架腿和臨近所有拉筋結(jié)構(gòu)等，模型中導(dǎo)管架腿的規(guī)格為Φ2 340×65，3 根臨近拉筋的規(guī)格分別為Φ762×19、Φ914×25 和Φ762×19。

方法一為殼單元模擬，有限元模型全部采用SHELL181 殼單元，該單元適用于具有一定厚度的薄殼結(jié)構(gòu)，是一個(gè)4 節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有6 個(gè)自由度，即X、Y、Z 方向的位移自由度和繞X、Y、Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。方法二為體單元模擬，有限元模型全部采用SOLID185 體單元，該單元是一個(gè)8 節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有3 個(gè)自由度，即X、Y、Z 方向的位移自由度。方法三為體單元與接觸單元相結(jié)合的方式進(jìn)行模擬，其中體單元采用SOLID185 單元，接觸單元采用CONTA174 單元和TARGE170 單元，在未進(jìn)行焊接時(shí)僅是面面接觸的區(qū)域，并通過接觸單元建立接觸對(duì)[4]。

3 種模擬方式最本質(zhì)的區(qū)別在于方法一和方法二沒有進(jìn)行角焊縫模擬，內(nèi)頰板與主板、外頰板與內(nèi)頰板之間的連接類似于鑄件，其接觸面完全擬合，這種模擬方式與實(shí)際情況不太相符，實(shí)際上這2 個(gè)區(qū)域的連接完全依賴于角焊縫，它們之間的共用面沒有任何連接；方法三完全符合結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，除進(jìn)行了角焊縫模擬外，在內(nèi)頰板與主板、外頰板與內(nèi)頰板的接觸面也采用了接觸單元進(jìn)行連接。3 種幾何模型和有限元模型見圖2～7。

圖2 方法一吊點(diǎn)幾何模型Fig.2 Geometric model of padeye for method 1

圖3 方法一吊點(diǎn)有限元模型Fig.3 Finite element model of padeye for method 1

圖4 方法二吊點(diǎn)幾何模型Fig.4 Geometric model of padeye for method 2

圖5 方法二吊點(diǎn)有限元模型Fig.5 Finite element model of padeye for method 2

圖6 方法三吊點(diǎn)幾何模型Fig.6 Geometric model of padeye for method 3

圖7 方法三吊點(diǎn)有限元模型Fig.7 Finite element model of padeye for method 3

2.2 邊界條件和加載情況

3 種模擬方法的邊界條件相同，即在導(dǎo)管架腿底部和臨近所有拉筋根部斷面的6 個(gè)自由度全部進(jìn)行約束。

在吊孔中心模擬吊繩力，并利用MASS21 單元將吊孔上的所有節(jié)點(diǎn)與吊孔中心的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接傳力，為便于結(jié)果對(duì)比，3 種模擬形式所選取的吊繩力均為16 500 kN，吊裝角度為60°。邊界條件&加載形式見圖8～10。

圖8 方法一邊界條件&加載Fig.8 Boundary & loading for method 1

圖9 方法二邊界條件&加載Fig.9 Boundary & loading for method 2

圖10 方法三邊界條件&加載Fig.10 Boundary & loading for method 3

3 結(jié)果與討論

3.1 方法一有限元分析結(jié)果

方法一的應(yīng)力云圖見圖11～14。最大的Von Mises Stress 結(jié)果為355.595 MPa，位于下環(huán)板，超許用應(yīng)力0.9×Fy＝0.9×355＝319.5 MPa 的區(qū)域，小于一個(gè)單元格[5]，屬于應(yīng)力集中區(qū)域，為可接受范圍?？梢钥吹秸w應(yīng)力分布較為均勻，受力形式較好。

圖11 方法一結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.11 All structures Von Mises stress for method 1

圖12 方法一導(dǎo)管架腿應(yīng)力云圖Fig.12 Jacket leg Von Mises stress for method 1

圖13 方法一吊點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.13 Padeye Von Mises stress for method 1

圖14 方法一拉筋應(yīng)力云圖Fig.14 Braces Von Mises stress for method 1

3.2 方法二有限元分析結(jié)果

方法二的應(yīng)力云圖見圖15～18。最大的Von Mises Stress 結(jié)果為276.134 MPa，位于下環(huán)板與主板的交界處，所有結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)域均滿足要求。

圖15 方法二結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.15 All structures Von Mises stress for method 2

圖16 方法二導(dǎo)管架腿應(yīng)力云圖Fig.16 Jacket leg Von Mises stress for method 2

圖17 方法二吊點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.17 Padeye Von Mises stress for method 2

圖18 方法二拉筋應(yīng)力云圖Fig.18 Braces Von Mises stress for method 2

3.3 方法三有限元分析結(jié)果

方法三的應(yīng)力云圖見圖19～22。最大的Von Mises Stress 結(jié)果為285.568 MPa，位于內(nèi)頰板與主板的角焊縫處，所有結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)域均滿足要求。

圖19 方法三結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.19 All structures Von Mises stress for method 3

圖20 方法三導(dǎo)管架腿應(yīng)力云圖Fig.20 Jacket leg Von Mises stress for method 3

圖21 方法三吊點(diǎn)應(yīng)力云圖Fig.21 Padeye Von Mises stress for method 3

圖22 方法三拉筋應(yīng)力云圖Fig.22 Braces Von Mises stress for method 3

3.4 3種方法有限元結(jié)果對(duì)比

有限元結(jié)構(gòu)主要包括吊點(diǎn)、導(dǎo)管架腿和拉筋3 部分結(jié)構(gòu)，3 種模擬方法的計(jì)算結(jié)果顯示各部分構(gòu)件的強(qiáng)度均滿足要求，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 吊點(diǎn)有限元計(jì)算結(jié)果Tab.1 Finite element calculation results of lifting padeye

4 結(jié) 論

①計(jì)算結(jié)果顯示方法一，即殼單元模擬的形式是3 種方法中應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最大的。

②在頰板焊縫能夠提供足夠的連接強(qiáng)度的前提下，方法二和方法三的計(jì)算結(jié)果差異不大。

③方法三與真實(shí)情況最為相近，在工期充裕的情況下是值得推薦的一種模擬方法。

④在工期較為緊張的情況下，如果表格核算頰板角焊縫能夠提供足夠的連接強(qiáng)度，則可以采用方法一進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，進(jìn)而可減少建模與計(jì)算時(shí)間，但方法一的計(jì)算結(jié)果偏大，較為保守，在進(jìn)行最終的計(jì)算結(jié)果分析時(shí)需仔細(xì)甄別。