海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度分析方法研究

趙開龍，劉成名，姚志廣

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451；2.中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心，北京100007）

海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度分析方法研究

趙開龍1，劉成名2，姚志廣1

（1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津300451；2.中國(guó)船級(jí)社海工技術(shù)中心，北京100007）

管節(jié)點(diǎn)作為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中十分重要且薄弱的環(huán)節(jié)，其極限強(qiáng)度分析是海洋平臺(tái)安全評(píng)估的重要內(nèi)容，也是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，選擇正確的方法和分析手段是得到準(zhǔn)確分析結(jié)果的前提。文章應(yīng)用MSC.PATRAN軟件建立平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)分析的有限元模型，分別使用局部模型法和嵌入式模型法對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)比其計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為采用嵌入式模型法更為精確。

管節(jié)點(diǎn)；極限強(qiáng)度；局部模型法；嵌入式模型法

0 引言

管節(jié)點(diǎn)是海洋平臺(tái)中一個(gè)十分重要且薄弱的環(huán)節(jié)，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行合理、有效的評(píng)估是十分必要的。

管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，選擇正確的方法和分析手段是得到準(zhǔn)確分析結(jié)果的前提。管節(jié)點(diǎn)的分析方法很多，可分為試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法、薄殼理論法、簡(jiǎn)化分析法（包括截面法、環(huán)模型法、沖剪應(yīng)力法、有效寬度法、塑性鉸線法、弦桿壁承壓模型法、弦桿受剪模型法等）、有限元法及半解析數(shù)值法等。目前廣泛采用的是有限元方法，采用這種方法時(shí)，準(zhǔn)確建立平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)分析有限元模型是得到精確分析結(jié)果的前提。本文利用有限元軟件MSC.PATRAN建立平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)分析有限元模型，其分析方法分為兩種：一種是局部模型法，此方法比較常用，是一種傳統(tǒng)的管節(jié)點(diǎn)分析方法；另一種是嵌入式模型法，即將管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)用板殼單元模擬并嵌入整體模型中。本文分別采用這兩種方法對(duì)某一平臺(tái)上的特殊管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，通過對(duì)比其計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為采用嵌入式模型法對(duì)管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度分析更為合理。

1 管節(jié)點(diǎn)判定準(zhǔn)則

1.1 管節(jié)點(diǎn)判定準(zhǔn)則

海洋平臺(tái)中存在大量圓管與圓管相交的部位，但并不是所有這些部位都能成為有關(guān)規(guī)范中規(guī)定的管節(jié)點(diǎn)，所以在進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度評(píng)估之前，必須根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求，準(zhǔn)確地確定哪些節(jié)點(diǎn)是管節(jié)點(diǎn)。根據(jù)ABS規(guī)范，規(guī)定如下：

且有τ=t/T；β=d/D；γ=D/（2T）式中g(shù)——間隙/mm；

D——弦管直徑/mm；

t——撐管壁厚/mm；

T——弦管壁厚/mm；

d——撐管直徑/mm。

由此可知，對(duì)管節(jié)點(diǎn)的判定實(shí)際上就是判定節(jié)點(diǎn)處的幾何參數(shù)，滿足公式（1）要求的可以確定為管節(jié)點(diǎn)。

1.2 管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度評(píng)估適用的載荷情況

在實(shí)際操作中，管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)承受各種不同的載荷形式。按照ABS規(guī)范中的規(guī)定，管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度評(píng)估對(duì)下列載荷情況適用：撐管受軸向載荷作用；撐管受面內(nèi)彎矩作用；撐管受面外彎矩作用；弦管受軸向載荷作用；弦管受面內(nèi)彎矩作用；弦管受面外彎矩作用；上述各種載荷的組合。

1.3 管節(jié)點(diǎn)破壞形式

管節(jié)點(diǎn)的破壞形式是依據(jù)管節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式、幾何形式和承載情況而定的（見圖1），規(guī)范中給出的破壞形式有：

（1） 弦管局部失效：包括撐管附近弦管管壁塑性失效；撐管由焊縫處與弦管斷裂；弦管局部皺褶。

（2） 弦管整體失效：包括弦管截面整體變形；弦管彎曲失效；近撐管間弦管剪切失效。

圖1 管節(jié)點(diǎn)破壞形式

2 管節(jié)點(diǎn)分析方法

2.1 局部模型法

局部模型法首先要建立平臺(tái)的整體模型。在整體模型中，管節(jié)點(diǎn)的弦管和撐管用梁?jiǎn)卧M。從整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果中提取管節(jié)點(diǎn)端部位移，作為局部模型分析的邊界條件；然后進(jìn)行二次建模，即建立管節(jié)點(diǎn)局部模型。撐管和弦管單元采用板單元模擬，施加邊界條件和載荷，在兩端采用MPC（多點(diǎn)約束）進(jìn)行模擬，重新計(jì)算得到管節(jié)點(diǎn)局部的結(jié)構(gòu)受力，如圖2所示。

2.2 嵌入式模型法

嵌入式模型法，是指直接將管節(jié)點(diǎn)的撐管和弦管結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬并嵌入到平臺(tái)的整體模型中，通過對(duì)整體模型在各種作業(yè)工況下的強(qiáng)度計(jì)算，直接提取管節(jié)點(diǎn)上各單元的受力。該方法充分考慮了整體模型對(duì)管節(jié)點(diǎn)的影響，不需要二次建模及簡(jiǎn)化分析，避免了二次分析時(shí)，因邊界條件和計(jì)算載荷的簡(jiǎn)化及近似處理對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差。該方法的計(jì)算結(jié)果較為接近管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中各部位的實(shí)際受力情況。

圖2 管節(jié)點(diǎn)局部模型

3 管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度校核

3.1 模型參數(shù)

本文選取某半潛式平臺(tái)中的一處典型管節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，其具體參數(shù)見表1。

表1 管節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

本文分別采用局部模型法、嵌入式模型法兩種方法對(duì)該管節(jié)點(diǎn)在平臺(tái)處于中垂、中拱的兩種典型工況（分別稱為第一、第二工況）下的受力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖3～4為兩種方法計(jì)算得到的應(yīng)力云紋圖，圖5給出了Mises應(yīng)力結(jié)果對(duì)比。

3.3 結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果（見表2）可以看出，兩種方法得到的計(jì)算結(jié)果存在著一定的差異，究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

（1） 局部模型方法中，整體模型采用梁?jiǎn)卧M弦管和撐管，不能直接模擬管材各點(diǎn)受力情況。

（2） 局部模型方法中，邊界條件是由其整體模型中得到的，將這些邊界條件施加到局部模型時(shí)必定帶來(lái)一定的誤差。

（3） 局部模型在考慮外界載荷時(shí)，只能利用整體模型中梁?jiǎn)卧氖芰Α⑽灰频葦?shù)值進(jìn)行處理得到，無(wú)法充分考慮整體結(jié)構(gòu)對(duì)局部的影響。

圖4 第二工況應(yīng)力云紋圖/MPa

圖5 Mises應(yīng)力結(jié)果對(duì)比

表2 兩種工況采用兩種方法的計(jì)算結(jié)果（Mises應(yīng)力/MPa）

而嵌入式模型法避免了二次分析時(shí)，因邊界條件和計(jì)算載荷的簡(jiǎn)化及近似處理對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差，充分考慮了整體模型對(duì)管節(jié)點(diǎn)的影響，不需要二次建模及簡(jiǎn)化分析。因此，嵌入式模型法的計(jì)算結(jié)果比局部模型法更接近管節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的實(shí)際受力情況。

4 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用嵌入式模型法得到的結(jié)果偏于安全。此方法直接將管節(jié)點(diǎn)用殼單元在整體模型中進(jìn)行模擬，充分考慮了整體結(jié)構(gòu)對(duì)管節(jié)點(diǎn)局部的影響，排除了局部模型法中簡(jiǎn)化處理對(duì)結(jié)果造成的影響，故其計(jì)算結(jié)果更為精確，更能直接反映管節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力情況，所以本文推薦采用嵌入式模型法對(duì)管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

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Abstract：Tubular joint is a kind of very important and weak link of offshore platform structure.Its ultimate strength analysis is significant to the safety assessment of offshore platform and is a very complex task.So choosing the right methods and means is the precondition to get accurate results.In this paper,the software MSC.PATRAN is applied to establish the accurate finite element model of tubular joint analysis and the model is solved with the local model and the embedded model approaches respectively.By comparing the calculated results,it is shown that the result obtained from the embedded model approach is more accurate.

Key words:tubular joint;ultimate strength;local model method;embedded model method

（12）Ultimate Strength Analysis Method for Tubular Joints of Offshore Platform

ZHAO Kai-long（CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451,China）,LIU Cheng-ming，YAO Zhi-guang

TE54 TE951

A

1001－2206（2011）01－0012－04

趙開龍（1983-），男，山東德州人，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)分析工作。

2010-08-16；

2010-11-04