生活樓防爆墻防爆性能分析

魏亞菲++李娟

摘 要：在海洋平臺發(fā)生爆炸的情況下，生活樓防爆墻的防爆性能將很大程度上影響平臺工作人員的安全。采用ANSYS軟件建立生活樓防爆墻整體有限元模型，在考慮了爆炸壓力的基礎(chǔ)上，對防爆墻爆炸工況下的性能進行準靜力分析，計算得出防爆墻結(jié)構(gòu)各個組成部分的受力及變形，并根據(jù)模擬計算結(jié)果對生活樓防爆墻安全性能進行評價，為生活樓設(shè)計提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：生活樓防爆墻；爆炸壓力；有限元模型；準靜力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.242

1 引言

隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，海上石油開采量占我國石油開發(fā)總量比重逐年增加。而近些年來，海洋平臺生產(chǎn)事故頻發(fā)，安全問題越來越引起各方關(guān)注，爆炸、火災(zāi)等特殊狀況逐漸納入海洋平臺設(shè)計的范疇。海洋平臺生活樓是海上生產(chǎn)人員的生活休息場所，是平臺上人員最為密集的區(qū)域，生活樓防爆墻在爆炸時起到保護生活區(qū)人員的作用，因此，針對生活樓防爆墻受力情況的研究對生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計及保證爆炸過程中生活區(qū)域人員的安全都具有重要意義。 本研究針對渤海海域一平臺生活樓防爆墻，利用SHELL 181單元模擬防爆墻的結(jié)構(gòu)框架及墻皮，建立模擬防爆墻爆炸過程受力的有限元模型，計算出受力結(jié)果并利用結(jié)果對防爆墻的安全性能進行評價，對海洋平臺生活模塊設(shè)計有一定參考意義。

2 有限元分析理論基礎(chǔ)[1]

有限元法是將連續(xù)體用網(wǎng)格劃分為有限數(shù)目個單元體，這些單元體之間在節(jié)點處相互鉸結(jié)，形成離散結(jié)構(gòu)，用這些離散結(jié)構(gòu)來代替原來的連續(xù)體結(jié)構(gòu)，以分析應(yīng)力和變形，將荷載移置作用于離散結(jié)構(gòu)的節(jié)點上，成為節(jié)點荷載。應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表示為：

（1）

式中：為彈性矩陣。由虛位移原理和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，可建立節(jié)點荷載和節(jié)點位移之間的關(guān)系，即

（2）

式中，[K]，[δ]，[R]分別為剛度矩陣，節(jié)點位移和節(jié)點荷載列陣。解方程可求得位移，進而可推出應(yīng)變和應(yīng)力的分布。

3 有限元模型建立

3.1 材料的選擇及參數(shù)

本文以渤海灣某平臺生活樓防爆墻參數(shù)為基本數(shù)據(jù)進行計算，模型使用的主要參數(shù)有：彈性模量E、剪切模量、泊松比、鋼材密度。防爆墻墻皮及支撐型材材料材質(zhì)選取遵循該項目規(guī)格書中的要求，其屈服強度及材料性能如表1所示。

注意：根據(jù)API RP 2A中 C18.7.3章節(jié)[2]，分析爆炸荷載下的結(jié)構(gòu)時，可將許用應(yīng)力的安全系數(shù)提升至1.0，因此，防爆墻組件的許用應(yīng)力等于其材料的屈服強度。

3.2 建模并劃分網(wǎng)格

本文采用了美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件ANSYS15.0進行防爆墻的局部有限元分析。該計算選用181殼單元對防爆墻結(jié)構(gòu)進行模擬，181殼單元適用于分析薄至中等厚度的殼形結(jié)構(gòu)，它是每個節(jié)點具有6個自由度的4節(jié)點單元，6個自由度指X、Y、Z三個軸方向的位移和繞X、Y、Z三個軸的轉(zhuǎn)角。181殼單元非常適用于線性、大轉(zhuǎn)角或大應(yīng)變非線性分析[3]。

網(wǎng)格劃分的好壞直接影響求解的精度及速度，該計算采用掃略方式劃分網(wǎng)格，整個模型單元間由節(jié)點連接，單元變形滿足幾何連續(xù)性。

3.3 施加載荷及約束

防爆墻由橫向支撐梁和豎向支撐拉筋固定，為模擬甲板梁對防爆墻的約束，必須在模型里建立做夠長的甲板梁，并對該段甲板梁末端節(jié)點施加三個方向的約束。經(jīng)過試算分析，模擬的甲板梁的長度不能小于1.5倍梁的高度。

依據(jù)規(guī)范，爆炸過程中除爆炸壓力外其他受力相對較小，可不考慮。業(yè)主提供的火災(zāi)及爆炸分析報告中的數(shù)據(jù)顯示，生活樓高度處的最大爆炸壓力為0.13bar，本文取爆炸過程中防爆墻所受的最大爆炸壓力0.13bar作為恒定值施加到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)上。

生活樓防爆墻邊界條件及爆炸過程中的受力情況如圖1，2所示。

4 計算結(jié)果分析

該爆炸過程采用靜態(tài)分析模擬，并打開大變形選項，如果一根或多根梁變形過大，則會使剛度矩陣不正定，從而導致分析不收斂。根據(jù)有限元模型分析計算，防爆墻最大受力為252.229MPa，最大變形為9.757mm，各部分受力及變形結(jié)果如表2所示。

計算結(jié)果滿足防爆墻各部分的屈服應(yīng)力要求，該防爆墻結(jié)構(gòu)能夠

（下轉(zhuǎn)第206頁）

（上接第269頁）

承受設(shè)計的爆炸壓力值，并且不會失穩(wěn)。防爆墻的整體受力情況及變形見圖3、圖4。

5 結(jié)論

利用ANSYS建立生活樓防爆墻模型，進行防爆墻防爆性能分析，得出以下結(jié)論：

（1）利用Shell181單元建立生活樓防爆墻有限元模型，對爆炸過程中防爆墻受力情況進行模擬是可行的。

（2）爆炸時最大應(yīng)力發(fā)生在支撐梁及立柱上，防爆墻各部位最大應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

（3）爆炸過程中墻皮吸收爆炸產(chǎn)生的能量，發(fā)生變形，最大變形量為9.757mm，這個數(shù)值小于墻皮與臨近設(shè)備的最小間隙，滿足安全要求。

（4）對于爆炸模擬計算結(jié)果中所受應(yīng)力安全儲備余量較小、變形較大的部位，可通過加大材料規(guī)格及增加支撐等多種形式進行加強。

該模擬計算方法對于生活樓防爆墻爆炸過程中受力檢測及安全性能評價有重要參考價值。

參考文獻：

[1]顏云輝，謝里陽等.結(jié)構(gòu)分析中有限單元法及其應(yīng)用[M].沈陽：東北大學出版社，2000.

[2]中國海洋石油天然氣標準.海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法（SY/T4802-92）.2014：135.

[3]郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

作者簡介：魏亞菲（1989-），女，山東博興人，助理工程師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。