孫黎明， 任慧龍， 馮國慶， 李 欣

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

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加強環(huán)對半潛式平臺腰形開口結(jié)構(gòu)補強效果研究

孫黎明， 任慧龍， 馮國慶， 李 欣

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

該文采用有限元分析法開展了加強環(huán)對腰形開口結(jié)構(gòu)的補強效果研究。結(jié)合半潛式平臺實際開口結(jié)構(gòu)，分析了加強環(huán)在開口邊緣周界的布置對補強效果的影響，以及不同加強環(huán)布置方案下開口周圍關(guān)鍵點的應(yīng)力集中特性，研究了加強環(huán)形狀參數(shù)對開口周界關(guān)鍵點應(yīng)力集中的影響。通過對計算結(jié)果的比較分析得到加強環(huán)對應(yīng)力集中效果改善的規(guī)律，所得結(jié)果可為有關(guān)開孔補強設(shè)計提供參考。

開口；加強環(huán)；有限元；應(yīng)力集中；半潛式平臺

0 引言

在半潛式平臺的設(shè)計建造過程中為了保證平臺的內(nèi)部通風(fēng)、管路及電纜的鋪設(shè)，需要對平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行開口。在平臺結(jié)構(gòu)所受的復(fù)雜外力作用下，開口的存在可能使周圍的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。選取合理的開口補強方式，以保證開口邊緣應(yīng)力集中水平在允許范圍內(nèi)，是設(shè)計者十分關(guān)心的問題。加強環(huán)雖然工藝上比較復(fù)雜，但對開口周圍結(jié)構(gòu)加強效果是較為理想的，而腰形開口又是半潛式平臺最常用的開口形式，故該文主要研究加強環(huán)對腰形開口的補強效果。目前對開口補強的很多研究都表明，加強環(huán)對腹板上開口邊緣的應(yīng)力集中有不錯的改善效果，并給出了開口邊緣應(yīng)力的計算方法。但現(xiàn)有的研究及各大船級社規(guī)范未給出加強環(huán)的具體參數(shù)選取，即如何最優(yōu)地布置加強環(huán)以得到最好的補強效果。該文通過大量的有限元計算，得到了一般情況下加強環(huán)最優(yōu)的形狀參數(shù)和布置方式，給出了設(shè)計加強環(huán)的具體建議。

1 加強環(huán)在開口邊緣的布置對補強效果的影響

選取HYSY981半潛式平臺底部浮筒的一個開口為例進(jìn)行分析研究。開口的尺寸為600 mm×1 200 mm(即腰形開口圓弧中點相距1 200 mm，圓弧直徑600 mm)。建立HYSY981平臺有限元模型，選擇極限自存工況，按照ABS規(guī)范，選擇浪向角45°，計算得到周期為7.76 s，波高為9.39 m，計算出平臺結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。對開口周圍的有限元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，開口附近的單元為50 mm×50 mm的四邊形殼單元。根據(jù)計算得到的極限自存工況下開口周圍應(yīng)力的分布規(guī)律，選取不同長度的加強環(huán)，如圖1(a)～圖1(d)所示，對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行環(huán)加強，以找到可以達(dá)到較好補強效果的一個合適的加強環(huán)布置尺寸。以上四種情況，加強環(huán)的高度均為25 mm，加強環(huán)的長度見表1。提取米塞斯應(yīng)力，對上述四種情況的開口周界應(yīng)力進(jìn)行計算分析，將帶加強結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算結(jié)果進(jìn)行比較，補強效果定義為最大應(yīng)力的減小值與原始應(yīng)力結(jié)果的比值，如果補強后最大應(yīng)力變大，補強效果則為最大應(yīng)力的增大與原始應(yīng)力結(jié)果的比值，且為負(fù)值。以此來直觀地考察補強效果的優(yōu)劣，環(huán)加強計算結(jié)果見表1。

圖1 環(huán)加強情況

加強環(huán)長度/m加強環(huán)長度占開口周長百分比開口邊緣最大應(yīng)力/MPa補強效果0.825.81%18.7-16.15%1.445.16%16.5-2.48%2.064.52%12.1824.35%3.1100.00%10.7633.17%

根據(jù)計算結(jié)果可知，當(dāng)加強環(huán)布置在應(yīng)力集中處時，會改善局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是當(dāng)加強環(huán)長度較小時，會導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象轉(zhuǎn)移至加強環(huán)邊界與開口相交處，如當(dāng)加強環(huán)的長度為0.8 m時，最大應(yīng)力反而增加了16.15%。當(dāng)加強環(huán)的長度較長時，可以改善開口角隅局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但加強環(huán)邊緣與角隅的相交處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會發(fā)生新的應(yīng)力集中現(xiàn)象，故布置加強環(huán)時應(yīng)布置在整個開口的角隅。

2 組合載荷下加強環(huán)布置方式對補強效果的影響

對拉應(yīng)力和剪應(yīng)力聯(lián)合作用下腰形開口板而言，兩種力的比值不同，開口周圍的最大應(yīng)力集中系數(shù)也將不同。為分析腰形開口結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中系數(shù)與不同的剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值的關(guān)系，同時進(jìn)一步詳細(xì)分析得到了不同的加強環(huán)布置方式下焊縫、開口邊緣的應(yīng)力集中現(xiàn)象的嚴(yán)重程度，進(jìn)行了大量的運算?？紤]到板單元不能得到焊縫各處的節(jié)點應(yīng)力，故選取實體單元來模擬開口板格的結(jié)構(gòu)以更準(zhǔn)確地得到焊縫處的應(yīng)力情況。由于整個結(jié)構(gòu)的外力是平衡的，邊界條件選取板的邊界角落處自由支持。分別考慮橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力與剪應(yīng)力聯(lián)合作用，如圖2所示，并以應(yīng)力集中系數(shù)作為補強效果優(yōu)劣的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 結(jié)構(gòu)尺寸及受力示意圖

2.1 開口的結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)HYSY981平臺開口結(jié)構(gòu)的實際尺寸，建立尺寸為1 800 mm×3 600 mm的板，板厚為20 mm，并在板上開600 mm×1 200 mm的腰形開口。對于此開口用五種不同的方式加強，加強環(huán)的厚度為20 mm，五種加強方式的主視圖如圖3所示。其中：(A)沒有加強；(B)為開口邊緣設(shè)有加強環(huán)，加強環(huán)的厚度為20 mm，高度為300 mm；(C)為距離開口邊緣50 mm有雙側(cè)的加強環(huán)，加強環(huán)的厚度為20 mm，高度為300 mm；(D)為距離開口邊緣50 mm有單側(cè)的加強環(huán)，加強環(huán)的厚度為20 mm，高度為150 mm；(E)為距離開口邊緣100 mm有雙側(cè)的加強環(huán)，加強環(huán)的厚度為20 mm，高度為300 mm；(F)為距離開口邊緣100 mm有單側(cè)的加強環(huán)，加強環(huán)的厚度為20 mm，高度為150 mm。

圖3 加強方式的示意圖

2.2 計算結(jié)果

采用應(yīng)力集中系數(shù)Kx(y)來表征補強效果的好壞，其定義如下：

(1)

式中：σx,max、σy,max分別為各考察位置x、y方向最大節(jié)點正應(yīng)力；σx、σy分別為距離開口邊緣200 mm附近截面平均應(yīng)力。

(2)

式中：b為每個有限元網(wǎng)格的邊長；B為整個板的寬度。有限元模型尺寸開口附近單元為10 mm×10 mm×10 mm，其余網(wǎng)格為45 mm×45 mm×10 mm，開口結(jié)構(gòu)實體單元有限元模型如圖4所示。

圖4 開口結(jié)構(gòu)實體單元有限元模型

考慮焊縫處和邊緣處應(yīng)力集中現(xiàn)象，計算出600 mm×1 200 mm的開口結(jié)構(gòu)的開口邊緣、焊縫各點的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)果如圖5～圖14所示。σx為外部拉應(yīng)力作用在長邊的橫向應(yīng)力情況，σy為外部拉應(yīng)力作用在短邊的縱向應(yīng)力情況。

圖5 橫向應(yīng)力和剪力時開口邊緣1點 圖6 縱向應(yīng)力和剪力時開口邊緣1點

圖7 橫向應(yīng)力和剪力時開口邊緣2點 圖8 縱向應(yīng)力和剪力時開口邊緣2點

圖9 橫向應(yīng)力和剪力時開口邊緣3點 圖10 縱向應(yīng)力和剪力時開口邊緣2點

圖11 橫向應(yīng)力和剪力時開口邊緣4點 圖12 縱向應(yīng)力和剪力時開口邊緣4點

圖13 橫向應(yīng)力和剪力時開口邊緣5點 圖14 縱向應(yīng)力和剪力時開口邊緣5點

從計算結(jié)果可以看到，不論哪種受力狀態(tài)對于開口角隅點1，B形式的補強效果是最好的。對于焊縫上的點2、3、4，B形式補強方式不如其他形式，對于焊縫2點，E的加強效果最好；對于焊縫3點，F(xiàn)的加強形式最好；對于焊縫4點，B的加強形式最好；對于焊縫5點，B的加強形式最好。

3 加強環(huán)形狀參數(shù)對補強效果的影響

開口結(jié)構(gòu)的尺寸等參數(shù)與上文中B的結(jié)構(gòu)相同，載荷選取1∶1的橫向拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，網(wǎng)格尺寸、單元類型及邊界條件與上一節(jié)的規(guī)定一致。該節(jié)將考查加強環(huán)高度和厚度對應(yīng)力集中的影響。

3.1 加強環(huán)高度對加強效果的影響

從計算結(jié)果可以看出，各位置的應(yīng)力集中系數(shù)隨加強環(huán)高度增加而降低，但降低的幅度逐漸減小。當(dāng)加強環(huán)的高度達(dá)到板厚的6倍時，開口邊緣1點的應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.86，隨著加強環(huán)高度增加至7倍時，1點和3點的應(yīng)力集中系數(shù)變化不太顯著，盡管2點的應(yīng)力集中仍有下降趨勢，但綜合分析可知，加強環(huán)的高度布置在板厚的六倍左右時較為合理。

圖15 加強環(huán)高度對應(yīng)力集中系數(shù)的影響

圖16 加強環(huán)厚度對應(yīng)力集中的影響

加強環(huán)的高度/mmh1/tK1K2K34023.644.563.936033.294.063.578043.063.633.2910052.933.293.1312062.863.023.0414072.842.863.01

3.2 加強環(huán)厚度對加強效果的影響

設(shè)加強環(huán)的厚度為t2，板厚為t，二者的比值為，計算得到與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系，如圖16所示。其中1點為開口邊緣處的某點，2點和3點為加強環(huán)與板之間的焊縫的某兩點，K1，K2，K3分別為三點的應(yīng)力集中系數(shù)，不同加強環(huán)厚度對補強效果的影響見表3。

表3 不同加強環(huán)厚度對補強效果的影響

從計算結(jié)果可以看出，各位置的應(yīng)力集中系數(shù)隨加強環(huán)厚度的增加而降低，但降低的幅度逐漸減小。當(dāng)加強環(huán)的厚度增加至板厚的1.5倍時，開口邊緣1點的應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.53。繼續(xù)加大加強環(huán)厚度，1點和2點的應(yīng)力改善并不明顯，但3點的應(yīng)力集中仍有較大改善，當(dāng)加強環(huán)的厚度達(dá)到2.5倍時，焊縫3點的應(yīng)力集中系數(shù)降低到了較低的水平。所以，當(dāng)加強環(huán)的厚度布置在板厚的1.5～2.5倍左右時較為合理。

4 結(jié)論

通過合理模擬開口結(jié)構(gòu)的有限元計算，可以得到以下結(jié)論：

(1) 加強環(huán)應(yīng)該盡量焊接在整個開口邊緣，否則容易因為結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 加強環(huán)焊接在開口角隅處，更利于使開口角隅的應(yīng)力集中現(xiàn)象減小。

(3) 對于加強環(huán)的高度和厚度的選取，加強環(huán)的高度宜為板厚的6倍，加強環(huán)的厚度宜為板厚的1.5～2.5倍，這時不僅可以節(jié)省鋼材以滿足經(jīng)濟效益，補強效果也較為理想。

(4) 加強環(huán)能明顯降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，合理的加強環(huán)布置可以使開口邊緣應(yīng)力集中系數(shù)降低至初始的72%，數(shù)值僅為2.43左右。

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The Structure Strengthening Effect of Strengthening Hoop on Long Circular Opening of Semi-submersible Platform

SUN Li-ming, REN Hui-long, FENG Guo-qing, LI Xin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Finite element method is used to analyze the effect of the strengthen structures on the long circular openings. Considering the actual shape of the opening in the semi-submersible platform, the influence of the strengthening hoop arrangement on the stress distribution around the openings is investigated. Additionally, the stress concentration phenomena of the key points are analyzed. Finally, it is studied how the strengthening hoop shape parameters affect the stress concentration factor. Through the comparison and analysis of the results, the regulation of the stress concentration reduction is worked out. The results can be reference for the design of the opening and its strengthening.

opening; strengthening hoop; finite element; stress concentration; semi-submersible platform

2015-10-09

孫黎明(1991-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)01-0078-08

P75

A