吳 彬

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建造領(lǐng)域，Tekla Structures和Ansys workbench是兩款常用的分別用于建模和計(jì)算的軟件。Tekla Structure能夠建立精細(xì)準(zhǔn)確的三維模型，輸出單件圖、布置圖和MTO等加工設(shè)計(jì)文件[1]；Ansys常被用來對(duì)建造中涉及到的吊裝運(yùn)輸以及工裝設(shè)計(jì)等力學(xué)問題進(jìn)行有限元分析，得出應(yīng)力和變形的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而指導(dǎo)相關(guān)設(shè)計(jì)[2]。

由于Tekla Structure與Ansys所使用的是兩種不同類型的模型，以往常常是已經(jīng)有了Tekla的模型，仍需工程師根據(jù)圖紙信息再創(chuàng)建Ansys模型，或者再借助Solidworks 等其他三維建模軟件建立Ansys可以讀取的模型，然后才可以進(jìn)行計(jì)算分析，這就消耗了大量的時(shí)間和精力，若使用其他三維軟件還需要花費(fèi)額外的軟件租賃費(fèi)用。使用Tekla Structure 模型通過插件轉(zhuǎn)換成.stp等格式，再導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算分析，能夠減少重復(fù)性勞動(dòng)，大幅提高工作效率，節(jié)約成本。以某項(xiàng)目模塊總裝墊墩的有限元分析為例，給出聯(lián)合應(yīng)用的流程步驟。1Tekla Structure 模型輸

1.1 結(jié)構(gòu)模型

圖1 Tekla Structure中創(chuàng)建的墊墩模型(含模塊立柱)

某項(xiàng)目模塊總裝墊墩使用Q345B等級(jí)的鋼板制作而成，底板長1.5 m，寬1.5 m，墊墩總高0.6 m。墊墩支撐在模塊立住的下方，如圖1所示，立柱最大支反力為200 t。

1.2 模型輸出

打開已經(jīng)建好的Tekla Structure模型，選中所需部分，在“文件”→“輸出”→“發(fā)布為網(wǎng)頁”選項(xiàng)卡中選擇“輸出內(nèi)容”為“所選對(duì)象”，“發(fā)布類型”選擇為“XML”，在自定義輸出路徑及文件名后點(diǎn)擊“發(fā)布”即可，如圖2所示。

圖2 Tekla Structure將模型發(fā)布為網(wǎng)頁版

2 模型轉(zhuǎn)換

運(yùn)行Tekla Structure的模型轉(zhuǎn)換軟件“Tekla Step Iges Converter”，在“file”菜單下點(diǎn)擊“open”，找到剛剛發(fā)布的.xml格式的文件所存放位置并打開，預(yù)覽之后另存為.stp格式，該格式可被ANSYS軟件讀取。

3 Ansys 模型前處理模型轉(zhuǎn)換

在Ansys計(jì)算之前，可對(duì)模型進(jìn)行合理簡化和抽取中面等操作，以便更好更快的進(jìn)行有限元計(jì)算。前處理使用Ansys軟件自帶的Space Claim模塊進(jìn)行，Space Claim軟件具有強(qiáng)大的“修復(fù)”(見圖3)和“準(zhǔn)備”(見圖4)功能，可以快速有效地完成去除不需要的孔、小的導(dǎo)圓、倒角、去除小的凸臺(tái)等前處理工作。

用Space Claim軟件打開已經(jīng)保存好的.stp格式的文件后，首先使用“修復(fù)”功能下的“拼接”、“間距”和“缺失的面”對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)?？紤]到此模型符合板殼計(jì)算的條件，可采用板殼單元代替實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算，可以大大減少單元數(shù)量，提高計(jì)算速度，所有采用“準(zhǔn)備”功能下的“中間面”將實(shí)體結(jié)構(gòu)抽取中間面。抽取中面后，再使用“延伸”功能將部分構(gòu)件進(jìn)行延申以彌補(bǔ)因?qū)嶓w結(jié)構(gòu)抽取成面后厚度方向上出現(xiàn)的間距。

圖3 Space Claim修復(fù)功能

圖4 Space Claim抽中面及延申功能

4 Ansys Workbench導(dǎo)入模型并計(jì)算

4.1 模型導(dǎo)入到Ansys Workbench

在Space Claim菜單欄中有個(gè)“workbench”選項(xiàng)，可直接將模型共享到workbench之中并打開。在workbench打開之后，拖動(dòng)一個(gè)靜力計(jì)算到模型上，如圖5所示，然后雙擊“model”并進(jìn)入mechanical模塊。

圖5 模型導(dǎo)入及靜力計(jì)算的創(chuàng)建

4.2 賦予材料屬性

墊墩所使用材料均為Q345B的碳素鋼，屈服強(qiáng)度為σs=345 MPa，彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850 kg/m3。根據(jù)ABS規(guī)范“海上移動(dòng)式鉆井裝置的建造和分級(jí)規(guī)則”[3]中的規(guī)定計(jì)算得到，采用馮米塞斯應(yīng)力時(shí)其許用應(yīng)力為241 MPa。

4.3 接觸設(shè)置及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)不同的板之間需連接的，在“connections”中設(shè)置合理的接觸對(duì)，然后采用SHELL181單元對(duì)所有板材劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分在能夠保證計(jì)算精度的前提下盡可能精簡，最終控制墊墩網(wǎng)格大小為20 mm，立柱網(wǎng)格大小為50 mm，共生成23046個(gè)單元。

4.4 邊界條件及荷載施加

將墊墩與水泥平臺(tái)直接接觸的下底面設(shè)置為“fixsupport”固定約束。墊墩整體施加“standardearthgravity”，并在立柱頂端施加大小為3×106N的“force”(200 t的支反力，并考慮1.5倍的安全系數(shù))。

4.5 計(jì)算及結(jié)果分析

在“solution”選項(xiàng)中插入等效應(yīng)力及總體變形結(jié)果選項(xiàng)，并進(jìn)行求解。求解后便得到墊墩的等效應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖6所示，最大應(yīng)力為214.77 MPa，小于許用應(yīng)力241 MPa，滿足強(qiáng)度要求；變形只有0.29 mm，在允許范圍內(nèi)，滿足剛度要求。

圖6 墊墩等效應(yīng)力云圖及總體變形云圖

5 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目中總裝墊墩的分析計(jì)算，說明了從Tekla Structure軟件中導(dǎo)出三維模型并導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行有限元分析是可行的，Tekla Structure建模與Ansys Workbench分析有效結(jié)合，能夠有效提高工作效率，操作和修改優(yōu)化更加簡單、方便。