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        導(dǎo)管架吊裝吊點3 種有限元模擬分析方法的研究對比

        2022-10-26 07:41:02靳寶旺
        天津科技 2022年10期
        關(guān)鍵詞:吊點云圖計算結(jié)果

        靳寶旺

        (海洋石油工程股份有限公司 天津300451)

        0 引 言

        導(dǎo)管架吊裝吊點是導(dǎo)管架設(shè)計中十分重要的一個附件,是導(dǎo)管架海上能否順利施工吊裝的直接影響因素,這就要求在實際項目中對于吊裝吊點的結(jié)構(gòu)強度要有額外的關(guān)注[1]。吊裝吊點的結(jié)構(gòu)強度校核通常采用Excel 公式校核與有限元結(jié)構(gòu)強度校核相結(jié)合的方法,并通過表格公式計算與有限元結(jié)果分析來驗算導(dǎo)管架吊裝吊點結(jié)構(gòu)強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)管架吊裝吊點的3 種方法[3]:第1 種是利用殼單元進行模擬分析,該方法具有建模簡便、模型小、計算耗時短等優(yōu)點,但殼單元主要分析薄殼結(jié)構(gòu),在分析吊點板這種較厚的板材時計算結(jié)果精準度并不理想;第2 種是利用實體單元進行模擬分析,該方法具有應(yīng)力分布均勻、計算結(jié)果較貼合實際情況的優(yōu)點,但建模時間略長,未考慮焊縫的結(jié)構(gòu)模擬,不能反映焊縫的真實受力情況;第3 種是利用實體單元與接觸單元相結(jié)合的方法進行模擬分析,該方法的計算結(jié)果最準確,也最貼合實際情況,但其建模復(fù)雜,計算耗時最長。這3 種模擬分析方法各有優(yōu)缺點,在實際項目中都有著廣泛的應(yīng)用。

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

        1 吊裝吊點結(jié)構(gòu)形式

        吊點高度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。具體吊點結(jié)構(gòu)形式見圖1。

        圖1 吊點結(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4 節(jié)點單元,每個節(jié)點均具有6 個自由度,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8 節(jié)點單元,每個節(jié)點均具有3 個自由度,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,在未進行焊接時僅是面面接觸的區(qū)域,并通過接觸單元建立接觸對[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,這種模擬方式與實際情況不太相符,實際上這2 個區(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)的真實情況,除進行了角焊縫模擬外,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 方法一吊點幾何模型Fig.2 Geometric model of padeye for method 1

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

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

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

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

        圖7 方法三吊點有限元模型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 個自由度全部進行約束。

        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)點與吊孔中心的節(jié)點進行連接傳力,為便于結(jié)果對比,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)果對比

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

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

        4 結(jié) 論

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

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

        ③方法三與真實情況最為相近,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度,則可以采用方法一進行結(jié)構(gòu)模擬,進而可減少建模與計算時間,但方法一的計算結(jié)果偏大,較為保守,在進行最終的計算結(jié)果分析時需仔細甄別。

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