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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

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

1 疲勞分析

本文以渤海某固定式平臺的吊機為例，建立吊機底座和加強筋板的有限元模型，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應力，依據DNV-RP-C203規(guī)范[2]對其進行疲勞校核。吊機模型示意圖如圖1所示。

圖1 吊機模型示意圖

1.1 疲勞荷載

API-2C[1]規(guī)定在沒有有關吊機荷載預計頻率和大小的情況下，吊機關鍵構件的設計，應在最不利的半徑條件下，能承受50%的船上起升荷載及相關水平荷載至少1 000 000個循環(huán)。應力范圍宜為：上述荷載產生的應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，吊機水平荷載主要是考慮吊機底座傾斜產生的水平力，荷載值較小，為簡化計算不予考慮。本文參照國外吊機廠家的常規(guī)做法，計算疲勞時考慮吊機臂旋轉180°計算疲勞應力幅值。

1.2 有限元模型

計算所用吊機的主要參數見表1，吊機底座結構及筋板構造示意圖如圖2所示。

表1 吊機主要參數

圖2 吊機底座結構示意圖

吊機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)點單元，該單元相比4節(jié)點單元計算精度更高。重點區(qū)域單元網格大小取1倍筋板厚度，其余位置采用200 mm×200 mm的稀疏網格。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)點上。材料的彈性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3。

圖3 吊機底座有限元計算模型

1.3 熱點應力計算結果

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

圖4 吊機應力云圖

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

1.4 疲勞校核

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

(1)

疲勞損傷值D為

(2)

式中：n為吊機荷載實際循環(huán)次數。

計算結果顯示：該位置的疲勞損傷滿足要求。

2 筋板參數對疲勞熱點應力的影響

本節(jié)對筋板參數進行敏感性分析，分別考慮筋板寬度、筋板厚度、筋板高度對熱點應力的影響。單一參數變化對應的工況見表2。

表2 單一參數變化的計算工況

2.1 筋板寬度的影響

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

圖5 筋板寬度對熱點應力的影響

2.2 筋板高度的影響

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

圖6 筋板高度對熱點應力的影響

2.3 筋板厚度的影響

圖7為當筋板厚度改變時計算位置熱點應力的變化趨勢圖，可以看出：當筋板厚度增加時，熱點應力略有增加。

圖7 筋板厚度對熱點應力的影響

3 結 論

本文基于DNV和API規(guī)范和有限元計算，建立了一套吊機底座筋板結構疲勞計算的設計方法，針對筋板參數對熱點應力的影響進行了敏感性分析，結論如下：

(1)筋板和吊機立柱相連上端點位置的熱點應力最大，該位置的疲勞問題應重點關注。

(2)分析了吊機底座加強筋板單一參數對熱點應力的影響，筋板寬度越小，高度越高，熱點應力越小，與寬度及高度相比，筋板厚度對熱點應力的影響較小。

[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.