基于ANSYS的海洋平臺吊點結構強度分析

馮加果，劉小燕，謝　彬，謝文會，王世圣

(1.中海油研究總院，北京100027；2.北京高泰深海技術有限公司，北京100011)

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基于ANSYS的海洋平臺吊點結構強度分析

馮加果1，劉小燕2，謝彬1，謝文會1，王世圣1

(1.中海油研究總院，北京100027；2.北京高泰深海技術有限公司，北京100011)

吊點關乎海上吊裝作業安全，在工程實施中非常重要?；诠こ绦枰岢隽私Y合ANSYS和SACS、利用有限元分析技術校核吊點強度的流程和方法。該方法高效準確，取代了以前吊點計算依賴人工的半經驗、半解析方法。并應用該流程完成了某海洋平臺吊點的強度校核，結果表明該吊點設計滿足規范要求，并已成功完成海上吊裝。探討了圓環結構沿吊繩方向和沿吊孔孔徑方向兩種施加載荷的方式，在工程應用中推薦采用載荷沿吊孔孔徑方向施加。實踐證明了提出的方法可靠、安全，可為其他圓筒結構、局部結構的設計提供指導。

海洋平臺；吊點；強度分析；ANSYS

海洋平臺吊點雖然是海洋平臺吊裝過程中的輔助結構，但它是結構安裝過程中的關鍵結構。2009年12月，SZ36-1CEPK西組塊在安裝過程中出現吊點橫柱護板焊接處發生斷裂。在綏中36-1Ⅱ期工程的6個組塊及秦皇島32-6工程A、B組塊吊點設計中均出現過嚴重影響到結構安全的吊點強度問題[1]。因此，吊點的強度校核是保證各結構安裝順利的前提，是確保海洋平臺結構安全運輸的關鍵結構[2]。由于吊點處結構復雜，很難依靠人工進行精確計算，以前只能憑借經驗、查找手冊規范等進行半經驗、半解析設計，這樣的設計太依賴于設計者的經驗，設計的結構也不一定是最優方案。近年來，隨著計算機技術和有限元應用的快速發展，吊點結構的強度校核越來越依賴于ANSYS等有限元軟件。應用ANSYS軟件有它的經驗和技巧，如何使該軟件計算的結果更合理、更接近實際也是值得思考的。本文運用ANSYS軟件研究了一套吊點結構的強度校核的有限元分析流程，對其中的關鍵步驟進行了探討。

1　吊點結構的強度校核及有限元分析流程

為了使ANSYS軟件的計算結果更接近實際，考慮到ANSYS軟件和SACS軟件的數據接口功能，綜合運用這兩種軟件，將SACS整體分析的相關結果經過處理，作為邊界條件施加到ANSYS模型中，同時提煉模型建立技巧、邊界條件和載荷施加方法以及計算結果處理方法等，建立了一套吊點結構強度校核有限元分析流程，如圖1所示。

圖1　吊點結構強度校核的有限元分析流程

1.1有限元模型建立及網格劃分

1)建立有限元模型。按照ANSYS軟件操作要求建立模型，但此過程要注意模型的簡化。與吊點相關的結構通常是由很多鋼板、鋼管和型鋼等焊接而成，由于對焊縫的模擬會涉及到倒角，這將耗費大量的時間和資源。鑒于此，需要對模型進行簡化。根據圣維南原理，對于特別關注的區域詳細模擬倒角等結構，對于其他在宏觀分析中可忽略或不重點關注的區域，則將該區域的焊縫和倒角進行簡化模擬。操作方法是在建立模型時先分別建好這些區域的結構，再通過APTN等命令將它們的屬性定義成是相連的，這些結構的相交線即為焊縫。

2)選擇合適的單元。單元的選擇取決于所分析實體的幾何特征及行為特征，也取決于人們對各種單元特性的了解。常用的有實體單元、殼單元和梁單元，與吊點相關的結構大多是板殼單元，下面主要探討板殼單元的特性。根據板殼理論，當結構的總體厚度比典型長度小很多時可使用殼單元，ANSYS中有3類殼單元：

第1類。采用薄膜理論，忽略彎曲和橫向剪切的殼單元，稱為膜殼，比如Shell41；

第2類。符合Kirchhoff薄板理論考慮了彎曲和薄膜效應，但忽略了橫向剪切的殼單元，稱為薄殼，比如Shell63；

第3類。既考慮彎曲和薄膜效應，也考慮橫向剪切效應的殼單元，稱為厚殼，比如Shell43、Shell143、Shell181、Shell93、Shell99、Shell91。

這3類殼單元的區別是是否考慮剪切效應，而在有限元分析中，當計入剪切變形的殼單元應用于很薄的板殼結構時，ANSYS在采用數值積分計算單元剛度矩陣過程中常會由于剪切閉鎖而導致單元剪切剛度被夸大使得結構變形偏小，從而影響計算結果，因此對于一定厚度的板材需要選擇合適的殼單元，可參考以下原則：如果殼的長度比厚度大10倍以上的板材即厚度非常小，可采用Shell63；如果橫向剪切變形對計算結果影響較大，對均勻材料選用Shell93或Shell143單元，對于復合料選用Shell91或Shell99，但此時注意適當增加單元網格密度，減小剪切閉鎖的影響。對于吊耳和與其相連的結構，這里推薦使用薄殼單元來劃分網格，如Shell63單元。

3)劃分網格。網格劃分的越密集，計算結果越精確，但耗費的計算機資源和計算時間也就越長。因此，單元的劃分一方面要考慮計算精度的要求，另一方面也要考慮計算機的條件，比較合適的做法是對于比較關注的區域網格就劃分比較密集，對于遠離關注區域的單元，網格就可以劃分的比較稀疏(如圖2)。網格的劃分也可根據實踐經驗來局部控制單元密度，在應力梯度變化大的部位，單元可以劃分的密集一些，反之在應力梯度變化平緩的部位單元可以取大一些。另外，網格劃分應盡量使用四邊形單元，四邊形單元是雙線形單元，計算精度比三角形單元高。比如對于比較關注的區域，可采用LSIZE命令來控制線的劃分長度，對于其他區域采用ESIZE命令控制單元大小即可，一般情況下多采用自由MESH，當然也可應用MSHAPE和MSHKEY命令來指定單元形狀和映射情況。

圖2　吊點有限元模型

1.2邊界條件施加方法

在有限元分析中，邊界條件和載荷是影響計算結果的關鍵因素。因此，如何模擬好邊界條件和施加合適的載荷是有限元分析取得合理結果的關鍵步驟。在本研究中，載荷及邊界條件簡化時要符合圣維南原理和平面假設，即不能顯著影響離邊界條件較遠區域的分析結果。

過去施加邊界條件主要通過適當選取與吊裝結構相連接的構件的長度，對這些邊緣結構的端部施加固定約束或簡支約束，以此減小邊界條件對所關注的吊點結構的分析結果的影響，但經常會產生很大誤差，使得吊點設計不是強度不夠造成安全事故就是強度剩余過多造成材料和施工的浪費。本文采取的邊界條件施加方法是，考慮到軟件間的數據可以相互借用，對于吊裝問題，通過SACS軟件進行整體吊裝分析，從中提取所需節點的解，經過適當處理(比如坐標系轉換)后作為邊界條件施加到ANSYS模型上去。但是，很多與吊耳連接的構件是筒形結構，這些結構在SACS整體吊裝分析中是一根線，提取數據時提取的是這根線的斷面即某節點的數據。在ANSYS局部分析中，這些筒形結構是板殼圍成的筒形，它們的截面是圓，邊界條件施加過程就涉及到如何將從整體吊裝中提取的節點的數據作為邊界條件施加到圓上。經過總結主要有3種方法[4]：

1)假設載荷在截面上是均布的，截面每一節點的約束均相同。

2)在截面形心處建一節點，利用ANSYS軟件的耦合功能將截面上的節點自由度與形心節點自由度耦合起來，再將載荷和約束施加到形心節點上。

3)在截面形心處建一節點，利用ANSYS軟件中的Link2、Beam4等單元將該節點與周圍節點一一連接起來，再將載荷和約束施加到該形心節點上(如圖3)。

前2種方法在桿件受彎時不符合圣維南原理和平面假設，但這兩種方法在取較大的模型，截面內的力偶較小可以忽略時的計算結果可以接受。第3種邊界條件施加方式完全符合圣維南原理和平面假設，推薦使用。本文即采用該方式施加邊界條件研究局部結構的強度校核問題。

圖3　圓筒結構的邊界條件施加模型

1.3載荷施加

在吊點設計過程中，對吊點和直接與吊點連接的結構件，其所受載荷應考慮2.0的動力載荷系數[5]。對其他傳遞提升力的構件考慮1.35的動力載荷系數。具體的吊繩力可從SACS軟件的整體吊裝分析中提取?，F在主要解決的問題是如何合理將吊繩拉力施加到吊耳上。

吊繩拉力主要通過卡環銷傳給吊耳，其對吊孔的作用力主要作用在與卡環銷接觸的半個圓環面上，本文介紹兩種方法模擬吊繩拉力對吊耳產生的作用力。

1)吊孔各節點受力均平行于吊繩方向。假設卡環銷對吊孔產生的作用力按照余弦分布在與其接觸的圓環面上，方向均沿吊繩方向，這種情況下吊耳上各節點的受力分布由式(1)決定：

(1)

式中：F表示吊繩拉力，考慮動載荷系數；F0x表示吊繩方向上節點受力；Fθx表示與吊繩方向夾角為θ的節點所受的力，方向沿吊繩方向，其分布如圖4a所示。

2)吊孔各節點受力沿吊孔孔徑方向。仍然假設卡環銷對吊孔產生的作用力按照余弦分布在與其接觸的圓環面上，不同的是力的方向垂直于接觸面向外(這樣考慮的理由是兩面接觸受壓時力總是垂直于接觸面)，這種情況下吊耳上各節點的受力分布由式(2)決定：

(2)

式中：F表示吊繩拉力，考慮動載荷系數；F0r表示吊繩方向上節點受力；Fθr表示與吊繩方向夾角為θ的節點所受的力，方向沿其徑向，其分布如圖4b所示；Fθrx表示Fθr在吊繩方向的分力。

a　各節點力沿吊繩方向加載

b　各節點力沿吊孔孔徑方向加載

根據上面的公式，在ANSYS程序中，先運用*GET命令獲得與卡環銷接觸的吊孔節點的編號，再應用*DIM命令定義一些數組，然后應用*DO循環命令完成力的加載，加載后的有限元模型如圖4所示。

1.4計算結果后處理

應用ANSYS進行局部強度校核時，若對模型進行了簡化處理，則焊縫附近的節點會產生應力集中現象，這時該處產生的應力將會是屈服應力的1.1～3.0倍[4]，因此需要對計算結果進行后處理來判斷結構強度是否滿足規范要求。通常有2種方法，一種是憑工程實踐經驗剔除掉計算結果很明顯失真的節點，再去觀察其他節點的強度，例如板厚突變處、網格不規則處等；另一種是依據文獻[1]和[3]，考慮將這些局部的峰值減小為它們所在斷面一定寬度上節點應力的平均值。具體做法是取該峰值所在的節點沿板厚方向在板厚范圍內的所有節點的應力平均值，然后判斷這些平均值是否滿足規范要求。在用ANSYS進行該處理時，可先用NSEL命令選出所需平均的節點，然后通過PRNSOL命令輸出這些節點的等效應力值，再通過EXCEL的分列和計算功能得到這些節點應力的平均值。

2　計算實例

本文以某平臺吊點為例，進行吊點結構的強度校核及有限元分析。該吊點結構如圖5所示，吊耳PL-50和PL-38板材采用GB 712—2000，E36-Z35鋼材，PL-25板材采用GB 712—2000，D36鋼材，屈服強度為355 MPa。

圖5　吊點結構

按照結構圖建立好ANSYS模型和完成SACS整體吊裝分析后，提取吊裝分析中相關連接部位節點的位移和轉角如表1所示，得到最大吊繩力為3 630 kN。將表1的數據作為邊界條件采用上述的第三種邊界條件施加方法加到相應截面的形心上；分別采用上述載荷施加的兩種方法(即各節點受力均沿吊繩方向和各節點受力沿各自徑向)將最大吊繩力施加到吊耳模型上(除加載方式不同，其余建模方法、劃分網格都相同)，計算得到的應力分布圖分別如圖6所示。

表1　從SACS中提取的連接部位各節點的位移及轉角

a　各節點力沿吊繩方向加載

b　各節點力沿吊孔孔徑方向加載

從圖6中可以看出，吊點的下面板與樁腿連接處的焊縫有應力集中情況，最大應力為817.3 MPa(各節點力沿吊孔孔徑方向加載)和803.19 MPa(各節點力沿吊繩方向加載)，可以看出該處的應力峰值是材料屈服強度的2倍多，但對于板殼結構來說，線性彈性理論計算得到的應力結果會包括局部明顯的峰值，依據文獻[3]可對峰值所在節點周圍(板厚范圍內的)節點的節點應力取平均作為該處的等效應力，提取的節點、應力值及計算結果如表2所示，當各節點力沿吊孔孔徑方向加載時的節點峰值處的平均等效應力為288.41 MPa；當各節點力沿吊繩方向加載時的峰值的等效應力為284.76 MPa，等效應力均小于319.50 MPa(0.9倍的屈服強度)，因此該吊點設計滿足吊裝強度要求。事實上，該吊點在2010年3月的吊裝使用中效果良好，也說明文中建立的吊點結構有限元分析流程是可靠的。

表2　焊縫節點峰值處等效應力　MPa

3　結論

1)本文提出了將ANSYS和SACS相結合、利用有限元分析技術校核吊點的流程和方法。該方法高效準確，取代了以前吊點計算憑借經驗、查找手冊規范等依賴人為經驗的半經驗、半解析設計方法。應用該流程完成了某吊點的強度校核分析，結果表明該吊點設計滿足規范要求。該吊點已完成海上吊裝，證明了文中提出的方法及流程是可靠的。

2)對于圓環結構載荷的施加，文中探討了沿吊繩方向和沿吊孔孔徑方向兩種加載方式，對比分析后認為當節點力沿吊孔孔徑方向加載時得到的該結構的應力峰值和應力平均值都稍大。在工程分析中推薦采用吊孔孔徑方向加載的方式，這樣既保守也更符合兩面接觸時力的作用方向的物理意義——垂直于接觸面。

3)文中提出的有限元分析方法、圓環載荷施加方法等除適用吊點外，也適用于其他圓筒構件(比如裙樁套筒、單點系泊連接部位、銷連接構件等)，可為其他典型局部結構的設計提供指導。

[1]謝彬，高瑞力，謝文會．新型組塊吊點的設計和應用[J]．中國海上油氣，2008，20(4)：264-266.

[2]王寧，徐田甜．西江23-1油田平臺模塊海上吊裝優化設計[J]．石油礦場機械，2007，36(8)：2-30.

[3]Det Norske Veritas.Rules for classification of fixed off shore installations[S].Oslo：DNV，1989.

[4]肖亞飛，楊曉剛．利用ANSYS程序對導管架典型局部結構進行有限元分析的方法探討[J]．中國海上油氣(工程)，2002，14(4)：16-21.

[5]American Petroleum Institute.API RP 2A-WSD，Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S]．Washington：API，2000.

Strength Analysis of Lifting Padeye on Platform Based on ANSYS

FENG Jiaguo1，LIU Xiaoyan2，XIE Bin1，XIE Wenhui1，WANG Shisheng1

(1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；2.COTEC，Beijing 100011，China)

Lifting padeye is related to the safety of offshore lifting operation，which is very important in engineering implementation.Due to the engineering’s need，a strength check process and method which combined ANSYS and SACS and used finite element analysis technology are proposed for the lifting padeye design.This method is effective and accurate，and replaced the semi-empirical and semi-analytical method depended on personal experience to design the lifting padeye before.The strength analysis of a project lifting padeye is complete by applied the above method，and it was shown that the design of lifting padeye meet the specification requirements.This lifting padeye had already been successfully used in the offshore lifting.The two load applied direction mode of ring structure is discussed，one is along the lifting rope direction and the other is along the aperture direction of the ring.The latter one is recommended in engineering application.It was proved that the method proposed in this paper was reliable and safe by practice.This method is also provided the guidance for the design of other cylindrical structure，local structure，and there is a good application prospect.

offshore platform；lifting padeye；strength analysis；ANSYS

1001-3482(2016)05-0032-06

2015-10-27

國家科技重大專項“深水平臺工程技術”(2011ZX05026-002)

馮加果(1985-)，男，湖北黃岡人，工程師，碩士，主要從事海洋石油平臺結構物設計等技術研究，E-mail：fengjg@cnooc.com.cn。

TE951.02

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.007