加強(qiáng)環(huán)對(duì)半潛式平臺(tái)腰形開(kāi)口結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)效果研究

孫黎明， 任慧龍， 馮國(guó)慶， 李 欣

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

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加強(qiáng)環(huán)對(duì)半潛式平臺(tái)腰形開(kāi)口結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)效果研究

孫黎明， 任慧龍， 馮國(guó)慶， 李 欣

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

該文采用有限元分析法開(kāi)展了加強(qiáng)環(huán)對(duì)腰形開(kāi)口結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)效果研究。結(jié)合半潛式平臺(tái)實(shí)際開(kāi)口結(jié)構(gòu)，分析了加強(qiáng)環(huán)在開(kāi)口邊緣周界的布置對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響，以及不同加強(qiáng)環(huán)布置方案下開(kāi)口周?chē)P(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力集中特性，研究了加強(qiáng)環(huán)形狀參數(shù)對(duì)開(kāi)口周界關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力集中的影響。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析得到加強(qiáng)環(huán)對(duì)應(yīng)力集中效果改善的規(guī)律，所得結(jié)果可為有關(guān)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)提供參考。

開(kāi)口；加強(qiáng)環(huán)；有限元；應(yīng)力集中；半潛式平臺(tái)

0 引言

在半潛式平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造過(guò)程中為了保證平臺(tái)的內(nèi)部通風(fēng)、管路及電纜的鋪設(shè)，需要對(duì)平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)口。在平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受的復(fù)雜外力作用下，開(kāi)口的存在可能使周?chē)慕Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。選取合理的開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)方式，以保證開(kāi)口邊緣應(yīng)力集中水平在允許范圍內(nèi)，是設(shè)計(jì)者十分關(guān)心的問(wèn)題。加強(qiáng)環(huán)雖然工藝上比較復(fù)雜，但對(duì)開(kāi)口周?chē)Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果是較為理想的，而腰形開(kāi)口又是半潛式平臺(tái)最常用的開(kāi)口形式，故該文主要研究加強(qiáng)環(huán)對(duì)腰形開(kāi)口的補(bǔ)強(qiáng)效果。目前對(duì)開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)的很多研究都表明，加強(qiáng)環(huán)對(duì)腹板上開(kāi)口邊緣的應(yīng)力集中有不錯(cuò)的改善效果，并給出了開(kāi)口邊緣應(yīng)力的計(jì)算方法。但現(xiàn)有的研究及各大船級(jí)社規(guī)范未給出加強(qiáng)環(huán)的具體參數(shù)選取，即如何最優(yōu)地布置加強(qiáng)環(huán)以得到最好的補(bǔ)強(qiáng)效果。該文通過(guò)大量的有限元計(jì)算，得到了一般情況下加強(qiáng)環(huán)最優(yōu)的形狀參數(shù)和布置方式，給出了設(shè)計(jì)加強(qiáng)環(huán)的具體建議。

1 加強(qiáng)環(huán)在開(kāi)口邊緣的布置對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響

選取HYSY981半潛式平臺(tái)底部浮筒的一個(gè)開(kāi)口為例進(jìn)行分析研究。開(kāi)口的尺寸為600 mm×1 200 mm(即腰形開(kāi)口圓弧中點(diǎn)相距1 200 mm，圓弧直徑600 mm)。建立HYSY981平臺(tái)有限元模型，選擇極限自存工況，按照ABS規(guī)范，選擇浪向角45°，計(jì)算得到周期為7.76 s，波高為9.39 m，計(jì)算出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)。對(duì)開(kāi)口周?chē)挠邢拊W(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，開(kāi)口附近的單元為50 mm×50 mm的四邊形殼單元。根據(jù)計(jì)算得到的極限自存工況下開(kāi)口周?chē)鷳?yīng)力的分布規(guī)律，選取不同長(zhǎng)度的加強(qiáng)環(huán)，如圖1(a)～圖1(d)所示，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行環(huán)加強(qiáng)，以找到可以達(dá)到較好補(bǔ)強(qiáng)效果的一個(gè)合適的加強(qiáng)環(huán)布置尺寸。以上四種情況，加強(qiáng)環(huán)的高度均為25 mm，加強(qiáng)環(huán)的長(zhǎng)度見(jiàn)表1。提取米塞斯應(yīng)力，對(duì)上述四種情況的開(kāi)口周界應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，將帶加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，補(bǔ)強(qiáng)效果定義為最大應(yīng)力的減小值與原始應(yīng)力結(jié)果的比值，如果補(bǔ)強(qiáng)后最大應(yīng)力變大，補(bǔ)強(qiáng)效果則為最大應(yīng)力的增大與原始應(yīng)力結(jié)果的比值，且為負(fù)值。以此來(lái)直觀地考察補(bǔ)強(qiáng)效果的優(yōu)劣，環(huán)加強(qiáng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 環(huán)加強(qiáng)情況

加強(qiáng)環(huán)長(zhǎng)度/m加強(qiáng)環(huán)長(zhǎng)度占開(kāi)口周長(zhǎng)百分比開(kāi)口邊緣最大應(yīng)力/MPa補(bǔ)強(qiáng)效果0.825.81%18.7-16.15%1.445.16%16.5-2.48%2.064.52%12.1824.35%3.1100.00%10.7633.17%

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)加強(qiáng)環(huán)布置在應(yīng)力集中處時(shí)，會(huì)改善局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是當(dāng)加強(qiáng)環(huán)長(zhǎng)度較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象轉(zhuǎn)移至加強(qiáng)環(huán)邊界與開(kāi)口相交處，如當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的長(zhǎng)度為0.8 m時(shí)，最大應(yīng)力反而增加了16.15%。當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，可以改善開(kāi)口角隅局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但加強(qiáng)環(huán)邊緣與角隅的相交處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)會(huì)發(fā)生新的應(yīng)力集中現(xiàn)象，故布置加強(qiáng)環(huán)時(shí)應(yīng)布置在整個(gè)開(kāi)口的角隅。

2 組合載荷下加強(qiáng)環(huán)布置方式對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響

對(duì)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力聯(lián)合作用下腰形開(kāi)口板而言，兩種力的比值不同，開(kāi)口周?chē)淖畲髴?yīng)力集中系數(shù)也將不同。為分析腰形開(kāi)口結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中系數(shù)與不同的剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值的關(guān)系，同時(shí)進(jìn)一步詳細(xì)分析得到了不同的加強(qiáng)環(huán)布置方式下焊縫、開(kāi)口邊緣的應(yīng)力集中現(xiàn)象的嚴(yán)重程度，進(jìn)行了大量的運(yùn)算?？紤]到板單元不能得到焊縫各處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，故選取實(shí)體單元來(lái)模擬開(kāi)口板格的結(jié)構(gòu)以更準(zhǔn)確地得到焊縫處的應(yīng)力情況。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的外力是平衡的，邊界條件選取板的邊界角落處自由支持。分別考慮橫向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力與剪應(yīng)力聯(lián)合作用，如圖2所示，并以應(yīng)力集中系數(shù)作為補(bǔ)強(qiáng)效果優(yōu)劣的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 結(jié)構(gòu)尺寸及受力示意圖

2.1 開(kāi)口的結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)HYSY981平臺(tái)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，建立尺寸為1 800 mm×3 600 mm的板，板厚為20 mm，并在板上開(kāi)600 mm×1 200 mm的腰形開(kāi)口。對(duì)于此開(kāi)口用五種不同的方式加強(qiáng)，加強(qiáng)環(huán)的厚度為20 mm，五種加強(qiáng)方式的主視圖如圖3所示。其中：(A)沒(méi)有加強(qiáng)；(B)為開(kāi)口邊緣設(shè)有加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的厚度為20 mm，高度為300 mm；(C)為距離開(kāi)口邊緣50 mm有雙側(cè)的加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的厚度為20 mm，高度為300 mm；(D)為距離開(kāi)口邊緣50 mm有單側(cè)的加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的厚度為20 mm，高度為150 mm；(E)為距離開(kāi)口邊緣100 mm有雙側(cè)的加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的厚度為20 mm，高度為300 mm；(F)為距離開(kāi)口邊緣100 mm有單側(cè)的加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)的厚度為20 mm，高度為150 mm。

圖3 加強(qiáng)方式的示意圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用應(yīng)力集中系數(shù)Kx(y)來(lái)表征補(bǔ)強(qiáng)效果的好壞，其定義如下：

(1)

式中：σx,max、σy,max分別為各考察位置x、y方向最大節(jié)點(diǎn)正應(yīng)力；σx、σy分別為距離開(kāi)口邊緣200 mm附近截面平均應(yīng)力。

(2)

式中：b為每個(gè)有限元網(wǎng)格的邊長(zhǎng)；B為整個(gè)板的寬度。有限元模型尺寸開(kāi)口附近單元為10 mm×10 mm×10 mm，其余網(wǎng)格為45 mm×45 mm×10 mm，開(kāi)口結(jié)構(gòu)實(shí)體單元有限元模型如圖4所示。

圖4 開(kāi)口結(jié)構(gòu)實(shí)體單元有限元模型

考慮焊縫處和邊緣處應(yīng)力集中現(xiàn)象，計(jì)算出600 mm×1 200 mm的開(kāi)口結(jié)構(gòu)的開(kāi)口邊緣、焊縫各點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)果如圖5～圖14所示。σx為外部拉應(yīng)力作用在長(zhǎng)邊的橫向應(yīng)力情況，σy為外部拉應(yīng)力作用在短邊的縱向應(yīng)力情況。

圖5 橫向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣1點(diǎn) 圖6 縱向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣1點(diǎn)

圖7 橫向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣2點(diǎn) 圖8 縱向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣2點(diǎn)

圖9 橫向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣3點(diǎn) 圖10 縱向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣2點(diǎn)

圖11 橫向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣4點(diǎn) 圖12 縱向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣4點(diǎn)

圖13 橫向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣5點(diǎn) 圖14 縱向應(yīng)力和剪力時(shí)開(kāi)口邊緣5點(diǎn)

從計(jì)算結(jié)果可以看到，不論哪種受力狀態(tài)對(duì)于開(kāi)口角隅點(diǎn)1，B形式的補(bǔ)強(qiáng)效果是最好的。對(duì)于焊縫上的點(diǎn)2、3、4，B形式補(bǔ)強(qiáng)方式不如其他形式，對(duì)于焊縫2點(diǎn)，E的加強(qiáng)效果最好；對(duì)于焊縫3點(diǎn)，F(xiàn)的加強(qiáng)形式最好；對(duì)于焊縫4點(diǎn)，B的加強(qiáng)形式最好；對(duì)于焊縫5點(diǎn)，B的加強(qiáng)形式最好。

3 加強(qiáng)環(huán)形狀參數(shù)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響

開(kāi)口結(jié)構(gòu)的尺寸等參數(shù)與上文中B的結(jié)構(gòu)相同，載荷選取1∶1的橫向拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，網(wǎng)格尺寸、單元類(lèi)型及邊界條件與上一節(jié)的規(guī)定一致。該節(jié)將考查加強(qiáng)環(huán)高度和厚度對(duì)應(yīng)力集中的影響。

3.1 加強(qiáng)環(huán)高度對(duì)加強(qiáng)效果的影響

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各位置的應(yīng)力集中系數(shù)隨加強(qiáng)環(huán)高度增加而降低，但降低的幅度逐漸減小。當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的高度達(dá)到板厚的6倍時(shí)，開(kāi)口邊緣1點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.86，隨著加強(qiáng)環(huán)高度增加至7倍時(shí)，1點(diǎn)和3點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)變化不太顯著，盡管2點(diǎn)的應(yīng)力集中仍有下降趨勢(shì)，但綜合分析可知，加強(qiáng)環(huán)的高度布置在板厚的六倍左右時(shí)較為合理。

圖15 加強(qiáng)環(huán)高度對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響

圖16 加強(qiáng)環(huán)厚度對(duì)應(yīng)力集中的影響

加強(qiáng)環(huán)的高度/mmh1/tK1K2K34023.644.563.936033.294.063.578043.063.633.2910052.933.293.1312062.863.023.0414072.842.863.01

3.2 加強(qiáng)環(huán)厚度對(duì)加強(qiáng)效果的影響

設(shè)加強(qiáng)環(huán)的厚度為t2，板厚為t，二者的比值為，計(jì)算得到與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系，如圖16所示。其中1點(diǎn)為開(kāi)口邊緣處的某點(diǎn)，2點(diǎn)和3點(diǎn)為加強(qiáng)環(huán)與板之間的焊縫的某兩點(diǎn)，K1，K2，K3分別為三點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)，不同加強(qiáng)環(huán)厚度對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響見(jiàn)表3。

表3 不同加強(qiáng)環(huán)厚度對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果的影響

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各位置的應(yīng)力集中系數(shù)隨加強(qiáng)環(huán)厚度的增加而降低，但降低的幅度逐漸減小。當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的厚度增加至板厚的1.5倍時(shí)，開(kāi)口邊緣1點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)僅為2.53。繼續(xù)加大加強(qiáng)環(huán)厚度，1點(diǎn)和2點(diǎn)的應(yīng)力改善并不明顯，但3點(diǎn)的應(yīng)力集中仍有較大改善，當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的厚度達(dá)到2.5倍時(shí)，焊縫3點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)降低到了較低的水平。所以，當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的厚度布置在板厚的1.5～2.5倍左右時(shí)較為合理。

4 結(jié)論

通過(guò)合理模擬開(kāi)口結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

(1) 加強(qiáng)環(huán)應(yīng)該盡量焊接在整個(gè)開(kāi)口邊緣，否則容易因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 加強(qiáng)環(huán)焊接在開(kāi)口角隅處，更利于使開(kāi)口角隅的應(yīng)力集中現(xiàn)象減小。

(3) 對(duì)于加強(qiáng)環(huán)的高度和厚度的選取，加強(qiáng)環(huán)的高度宜為板厚的6倍，加強(qiáng)環(huán)的厚度宜為板厚的1.5～2.5倍，這時(shí)不僅可以節(jié)省鋼材以滿足經(jīng)濟(jì)效益，補(bǔ)強(qiáng)效果也較為理想。

(4) 加強(qiáng)環(huán)能明顯降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，合理的加強(qiáng)環(huán)布置可以使開(kāi)口邊緣應(yīng)力集中系數(shù)降低至初始的72%，數(shù)值僅為2.43左右。

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The Structure Strengthening Effect of Strengthening Hoop on Long Circular Opening of Semi-submersible Platform

SUN Li-ming, REN Hui-long, FENG Guo-qing, LI Xin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Finite element method is used to analyze the effect of the strengthen structures on the long circular openings. Considering the actual shape of the opening in the semi-submersible platform, the influence of the strengthening hoop arrangement on the stress distribution around the openings is investigated. Additionally, the stress concentration phenomena of the key points are analyzed. Finally, it is studied how the strengthening hoop shape parameters affect the stress concentration factor. Through the comparison and analysis of the results, the regulation of the stress concentration reduction is worked out. The results can be reference for the design of the opening and its strengthening.

opening; strengthening hoop; finite element; stress concentration; semi-submersible platform

2015-10-09

孫黎明(1991-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2016)01-0078-08

P75

A