基于Workbench的導管架吊裝分析

沈忱 王燕 莫燕 郝麗琦 李英俊

摘? 要：為對導管架整體吊裝安全性進行數值模擬分析，采用有限元法。利用ANSYS Workbench對導管架進行整體建模。模型中全部采用殼單元進行模擬。有限元網格劃分過程中對不同的板厚和位置設置不同的偏移方向。利用力質量單元向導管架模型賦值，利用重力加速度施加場力。導管架起吊的吊點采用遠程點的方式進行模擬，遠程點與吊點之間的控制方程簡化鋼絲繩的建模。對吊點等關鍵部位進行細化網格處理。在導管架吊裝受力后處理時，檢查結構的整體應力情況，并重點檢查吊點的應力情況。檢查遠程點反力并與導管架重量進行比對。檢查導管架整體位移避免發生翻轉。

關鍵詞：殼單元；質量點；遠程點；建模；有限元法

中圖分類號：TE54? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0065-04

Abstract： In order to carry on the numerical simulation analysis to the integral hoisting safety of the jacket， the finite element method is adopted. The jacket is modeled as a whole by ANSYS WORKBENCH. All the shell elements are used in the model. In the process of finite element meshing， different offset directions are set for different plate thickness and position. The force mass unit guide pipe rack model is assigned， and the gravity acceleration is used to apply the field force. The lifting point of the jacket is simulated by the remote point， and the control equation between the remote point and the lifting point simplifies the modeling of the wire rope， so as to refine the mesh of the key parts such as the hanging point. During the post-hoisting treatment of the pipe frame， we checked the overall stress of the structure， and focused on the stress of the lifting point， checked the remote point reaction and compared it with the weight of the jacket， and checked the overall displacement of the jacket to avoid flipping.

Keywords： shell element; mass point; remote point; modeling; finite element method

導管架作為世界上應用范圍最廣的一種平臺形式，每年在渤海大約有20余座導管架安裝成功。由于渤海海域的水深普遍在20～30 m，吊裝下水成為應用最廣的一種導管架安裝方式。在整個吊裝過程中，吊點成為關系導管架施工安全的關鍵，在吊裝設計時需要重點關注。經過多年的技術發展和改進，吊點的結構形式比較固定且單一，多為單層或多層鋼板疊加焊接到一起，中間挖孔用于與卡環連接。因此在有限元軟件中利用殼單元對吊點強度進行有限元分析成為常用手段。除吊點以外的其他鋼結構，均由鋼板卷成不同直徑的鋼管組成，可一起利用殼單元進行強度校核。本文以渤海某岸電導管架為例，在有限元分析軟件ANSYS Workbench中對導管架整體強度進行分析校核，并重點對吊點的強度進行了細化分析。

1? 導管架模型

本文以渤海某岸電平臺導管架為例，該導管架總重量872 t，采用4個吊點進行海上安裝。導管架吊點使用80 mm厚度的鋼板作為中間主板，以32、25 mm厚鋼板作為2層間隙板，如圖1所示。根據規范DNVGL-ST-N001《Marine operations and marine warranty》，吊點間隙板的厚度不應大于中間主板的厚度，吊點孔處吊點板的總厚度不應小于卡環開口寬度的75%，卡環參數與吊點數據對比見表1。

2? 有限元模型

2.1? 建立有限元模型

2.1.1? 結構建模

利用Space claim軟件進行導管架模型建立（圖2），導管架主結構均為薄壁鋼管，建立模型時采用無厚度面進行結構模擬，在鋼管變徑處將面體進行切割，以便后續對不同的面體分別賦予厚度值。因導管架主結構各部分均以焊接的形式連接在一起，因此在軟件中將結構模型設置為共享拓撲結構，可避免對連接處單獨設置接觸，能夠有效提高計算效率。

結構模型完成后，在Workbench中建立靜力分析流程，導入結構模型，根據導管架結構圖，分別對相應的面體設置厚度，同時將鋼結構的材料屬性賦予結構。由于靜力分析時使用重力場力作為導管架的受力來源，因此采用質量點的形式對導管架施加場力，為避免導管架結構產生場力，在材料屬性中將導管架材料密度更改為0。

2.1.2? 質量點建模

根據導管架重量控制報告，導管架起吊總重量為872 t。而導管架鋼結構的重量為505 t，這是由于導管架上防沉板、立管等附屬結構沒有在模型中體現（圖3）。由于吊裝分析中，對這部分的結構強度不予關心，因此除導管架主結構以外的附屬結構重量可以以質量點的形式施加到導管架上（圖4）。其他附屬結構的重量應為367 t。由于在導管架材料屬性中設置了材料密度為0，因此導管架結構不產生場力，將導管架總重量以質量點的形式施加到導管架結構上。

2.1.3? 吊點模擬

導管架吊裝時，導管架4角的吊點通過卡環和鋼絲繩與吊機的鉤頭連接，鉤頭上的鋼絲繩通過卷揚機拉動將導管提起。由于鉤頭上升的速度非常緩慢，導管架在起吊過程中并不產生加速度，因此導管架實際受力是由其自身下墜產生。在對鉤頭進行模擬時，利用Workbench中的遠程點，在鉤頭起吊中的實際位置處建立遠程點1，遠程點1的作用區域為導管架的4個吊點，設置顯示遠程點的控制方程（圖5）。這實際上是簡化了吊裝設備中的卡環和鋼絲繩，只對導管架的鋼結構進行受力分析。

2.2? 網格劃分

Workbench中的單元類型由程序自動指定，用戶指定網格的單元形函數的階次后，程序根據模型自動分配單元類型。默認的殼單元類型為shell181單元，其適用于本例中的線性分析。導管架整體網格劃分可以用一個較大的網格尺寸進行控制（圖6），對于分析重點關注的吊點采用局部細化網格劃分（圖7）。

劃分網格后，模型以指定的板厚進行顯示（圖8），檢查劃分網格后的有限元模型，按板的實際位置調整板厚偏移基準，如吊點主板和間隙板均以板厚中心為偏移基準，板厚對稱于基準模擬吊點厚度，而吊點板上的蓋板，實際是以底面與吊點主板接觸焊接，在軟件設置中以面的頂面或底面作為板厚偏移的基準。

2.3? 建立邊界條件

從吊裝過程看，在對導管架進行吊裝時，由于鉤頭上升的速度非常緩慢，吊裝的過程為準靜態過程，在某一時刻，自鉤頭以下，導管架處于自由狀態。因此為了與實際情況契合，只對模擬鉤頭的遠程點進行約束，采用遠程約束的方式（圖9），約束鉤頭6個方向的自由度。

2.4? 施加荷載

導管架被吊起后，自身的重量下墜與鉤頭向上提升的力形成一對平衡力，對模型施加標準重力加速度后，導管架鋼結構和質量點的重量，均以場力的形式作用于模型。導管架鋼起吊的總重量為872 t，施加重力加速度后，模型受到向下的重力約為8 551 kN，如圖10所示。

3? 靜力分析

對模型進行計算，分別提取導管架整體應力結果、整體位移結果、遠程點處的反作用力。查看整體應力結果，如圖11所示，導管架結構應力最大的位置為吊點頂部蓋板結構拐角處，最大應力為205.2 MPa，吊點鋼結構的許用應力為355 MPa，吊點受力處于許可范圍內（圖12）。

檢查導管架模型位移情況，上部橫向撐桿最大位移為3.6 mm，如圖13所示，這是由于結構受力產生的彈性變形。導管架底部由于質量點的作用也產生了一定的彈性變形，實際情況中，導管架質量是作用于整體模型，并不會在底部產生彈性變形。檢查導管架整體位置變化，發現相對于原始位置未發生偏移，說明遠程點的位置與模型重心位置在豎直方向共線，導管架起吊后未發生偏轉。

檢查遠程點處的反力，在X和Y方向的極小分量可以忽略，在Z方向的反力為8 551 kN，與導管架整體重力相等，說明導管架重力全部作用于鉤頭，未產生其他方向的偏移。

4? 結論

利用ANSYS Workbench對導管架進行整體有限元分析，可以得到導管架鋼結構在吊裝過程中各部分的受力情況，通過對吊點進行細化網格處理，可以有效地對關鍵位置的受力情況重點分析。

1）對于導管架的主結構和吊點，殼單元是一種快速高效的有單元分析類型。

2）導管架主吊點可以根據不同區域的鋼板厚度設置單元厚度，并將厚度設置為對稱于中線，其他部位鋼板按實際位置設計不同的厚度偏移方向。

3）導管架材料屬性可不賦予密度，通過添加質量點的方式將導管架質量添加到模型中。

4）起吊過程為準靜態過程，鉤頭可以使用遠程點的方式進行模擬，建立遠程點與吊點的控制方程并顯示，可以有效模擬鋼絲繩。

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