基于ANSYS Workbench的單點(diǎn)YOKE非常規(guī)吊點(diǎn)強(qiáng)度分析

武斌斌，姜宇飛，李曉明，姜學(xué)錄，韓敬艷

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

由于經(jīng)典ANSYS建模的局限性，對(duì)于復(fù)雜吊點(diǎn)的建模耗時(shí)占用工程師大量的時(shí)間和精力。ANSYSWorkbench具有強(qiáng)大的前處理功能，適合對(duì)復(fù)雜吊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體建模，使用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格并進(jìn)行分析，是復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析的首選方法。

本文研究的吊點(diǎn)位于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中YOKE的壓載艙上，此吊點(diǎn)為非常規(guī)吊點(diǎn)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮YOKE自重及起重船舶情況，結(jié)合SACS軟件校核YOKE整體吊裝強(qiáng)度分析時(shí)鋼絲繩拉力的結(jié)果，采用ANSYS Workbench有限元分析軟件，分析吊點(diǎn)在拆除吊裝過(guò)程的強(qiáng)度，以保證整個(gè)拆除吊裝過(guò)程安全順利實(shí)施，也為有限元軟件分析非常規(guī)吊點(diǎn)提供了思路，還可為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供參考[1-6]。

1 項(xiàng)目基本信息

渤海海域某FPSO退出生產(chǎn)序列，拆除相應(yīng)單點(diǎn)系泊系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)管架做相應(yīng)升級(jí)改造。需要拆除的系泊系統(tǒng)為塔架軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，如圖1所示，系泊系統(tǒng)由系泊導(dǎo)管架、軟剛臂、船上的支撐架和系泊頭等組件組成。在FPSO解脫時(shí)，軟剛臂YOKE壓載艙中的壓載液被排出，F(xiàn)PSO解脫后，YOKE的壓載艙浮在水面上，YOKE的鉸接頭仍連接在系泊頭轉(zhuǎn)盤(pán)凹槽上，YOKE隨外界因素（風(fēng)、水流等）繞系泊頭自由旋轉(zhuǎn)。YOKE采用整體拆除方法回收。

圖1 某FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

1.1 YOKE信息

軟剛臂YOKE是管狀三角形框架，如圖2所示，與單點(diǎn)連接部分為可橫搖和縱搖的鉸接頭，在框架兩側(cè)構(gòu)件端部是兩個(gè)壓載水艙；兩側(cè)的壓載艙上分別有一個(gè)巨型非常規(guī)吊點(diǎn)，在位工況下與兩條系泊腿相連，吊裝工況則作為吊裝吊點(diǎn)使用；鼻錐處有用于吊裝的一個(gè)常規(guī)吊點(diǎn)。根據(jù)原有重量控制資料，YOKE及其附屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量共為181.1 t。

圖2 單點(diǎn)YOKE結(jié)構(gòu)示意

1.2 吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

位于YOKE壓載艙上的非常規(guī)吊點(diǎn)如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)由三層吊點(diǎn)及兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)軸組成，兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)軸可以在YOKE與系泊腿連接的狀態(tài)下將不同方向的外力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)力，以抵消惡劣海況通過(guò)FPSO而傳遞給單點(diǎn)的外力。但這一特殊結(jié)構(gòu)設(shè)置，增加了吊點(diǎn)在吊裝工況下校核強(qiáng)度的難度。

圖3 YOKE壓載艙上非常規(guī)吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.3 拆除吊裝信息

拆除時(shí)使用2 500 t起重船舶“大力號(hào)”，采用雙主鉤進(jìn)行吊裝，雙主鉤之間的間距為4.5 m，吊裝過(guò)程中使用連鉤鋼絲進(jìn)行限制，以保證兩主鉤能夠同步升或降。拆除時(shí)壓載艙及鼻錐上的吊點(diǎn)通過(guò)鋼絲繩及卡環(huán)與主鉤相連，確保每根鋼絲繩與水平面夾角大于60°。見(jiàn)圖4。

圖4 吊裝形式示意

2 非常規(guī)吊點(diǎn)強(qiáng)度分析

拆除吊裝時(shí)，起重船吊機(jī)的吊鉤緩緩上升，鋼絲繩逐漸拉緊，在此過(guò)程中非常規(guī)吊點(diǎn)兩個(gè)方向的軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)最后達(dá)到平衡狀態(tài)，隨后YOKE縱搖轉(zhuǎn)軸從“U”形槽內(nèi)提出并逐漸提升，將拆除的YOKE放置在駁船上，整個(gè)拆除過(guò)程結(jié)束。雖然YOKE整個(gè)起吊過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，但由于非常規(guī)吊點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)特性，在YOKE被提起之前是非常規(guī)吊點(diǎn)達(dá)到平衡的過(guò)程，只有在YOKE被提起時(shí)吊裝力達(dá)到最大，也是非常規(guī)吊點(diǎn)的最危險(xiǎn)工況，因此可轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)分析為靜態(tài)分析、非線性分析為線性分析，即對(duì)非常規(guī)吊點(diǎn)最終平衡狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度分析。分析難點(diǎn)及關(guān)鍵是隨著鋼絲繩拉緊后非常規(guī)吊點(diǎn)兩個(gè)方向的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

2.1 有限元模型

建立壓載艙上非常規(guī)吊點(diǎn)三維實(shí)體模型如圖5所示，包括吊點(diǎn)板、軸、軸套和墊片。非常規(guī)吊點(diǎn)三維模型為多個(gè)零件組裝而成，可分為三層，底層吊點(diǎn)、中層吊點(diǎn)和上層吊點(diǎn)。在ANSYSWorkbench中，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在下層旋轉(zhuǎn)軸的中心位置，Y軸豎直向上，通過(guò)結(jié)構(gòu)樹(shù)將吊點(diǎn)和相應(yīng)軸套形成一個(gè)組件，開(kāi)啟組件共享拓?fù)涔δ?，以?shí)現(xiàn)網(wǎng)格連續(xù)、節(jié)點(diǎn)共享。

圖5 非常規(guī)吊點(diǎn)三維模型

根據(jù)實(shí)際吊裝工況，吊點(diǎn)相連的鋼絲繩與水平面夾角為61°，采用SACS軟件校核YOKE吊裝時(shí)的整體強(qiáng)度，提取出鋼絲繩拉力為1 349 kN。采用Remote Force將鋼絲繩拉力施加在上層吊點(diǎn)上，如圖6所示。

圖6 加載鋼絲繩拉力

在以上層吊點(diǎn)主板吊孔中心為原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系中，如圖6所示，根據(jù)勾股定理，鋼絲繩拉力在X軸方向的拉力Fx為279 kN，在Y軸方向的拉力Fy為1 177 kN，在Z軸方向的拉力Fz為599 kN。

非常規(guī)吊點(diǎn)有上下兩根旋轉(zhuǎn)軸，上層旋轉(zhuǎn)軸可繞著Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，下層旋轉(zhuǎn)軸可繞著X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際吊裝情況，鋼絲繩拉力的分力Fx是非常規(guī)吊點(diǎn)在Yz平面的外力，F(xiàn)z是非常規(guī)吊點(diǎn)在XY平面的外力，因此Fx使上層吊點(diǎn)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)z使上層吊點(diǎn)和中層吊點(diǎn)繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度依據(jù)平面外力與平面夾角進(jìn)行調(diào)整，最終調(diào)整上層吊點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)11.92°，上層吊點(diǎn)和中層吊點(diǎn)繞X軸旋轉(zhuǎn)26.97°的角度，據(jù)此調(diào)整三維模型如圖7所示。

圖7 非常規(guī)吊點(diǎn)調(diào)整后三維模型

2.2 鉸接連接方式的有限元分析

根據(jù)非常規(guī)吊點(diǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)特性，首先考慮采用鉸接的連接方式，將模型中軸及墊片刪除或抑制，并在上下旋轉(zhuǎn)軸處創(chuàng)建兩個(gè)Joint，如圖8所示。

圖8 鉸接連接方式設(shè)置

分析得出支反力結(jié)果如表1所示，若外力加載完成后各方向分力與SACS提取的結(jié)果一致，表明上下層旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度正確；如果輸出的各向支反力結(jié)果與SACS提取出的結(jié)果有誤差，說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)角度有誤，需要調(diào)整模型角度后重新求解。

表1 支反力結(jié)果

圖9為應(yīng)力云圖，最大Von Mises應(yīng)力位于上層吊點(diǎn)孔處，為100.55 MPa，小于0.8倍屈服強(qiáng)度（材料屈服強(qiáng)度為235 MPa，0.8為API RP-2A規(guī)范中規(guī)定系數(shù)），滿足吊裝強(qiáng)度要求。實(shí)際施工時(shí)，吊裝過(guò)程安全順利實(shí)施，驗(yàn)證了吊點(diǎn)強(qiáng)度校核的可靠性。

圖9 非常規(guī)吊點(diǎn)應(yīng)力云圖

2.3 接觸連接方式的有限元分析

在多個(gè)實(shí)體組成的模型中，常使用接觸的連接方式。為此調(diào)整有限元模型，采用接觸的方式模擬不同層吊點(diǎn)的連接狀態(tài)，分別在軸與軸套、軸與墊片、軸與吊點(diǎn)、吊點(diǎn)與墊片、墊片與軸套之間建立接觸對(duì)，其中軸與軸套之間采用Bonded接觸，其他部位均采用Frictionless接觸，共建立22組接觸對(duì)，如圖10所示。

圖10 接觸連接方式設(shè)置

求解得出支反力結(jié)果如表2所示，外力加載完成后各方向分力與SACS提取的結(jié)果一致。

表2 支反力結(jié)果

圖11所示為非常規(guī)吊點(diǎn)應(yīng)力云圖，最大Von Mises應(yīng)力位于上層吊點(diǎn)孔處，為100.55 MPa，與鉸接連接方式得出的結(jié)果一致。

圖11 非常規(guī)吊點(diǎn)應(yīng)力云圖

從支反力結(jié)果可以看出，使用鉸接連接方式求解時(shí)，時(shí)間是累加的，其計(jì)算使用時(shí)間較接觸連接方式的求解過(guò)程長(zhǎng)，會(huì)耗費(fèi)更多的電腦資源。

3 結(jié)論

（1）非常規(guī)吊點(diǎn)是海洋異形結(jié)構(gòu)物拆除中重量的承擔(dān)者，其強(qiáng)度校核的準(zhǔn)確性關(guān)系到海上吊裝施工的安全，針對(duì)非常規(guī)吊點(diǎn)提出的轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)分析為靜態(tài)分析、非線性分析為線性分析的有限元解決思路，有助于簡(jiǎn)化模型，快速求解工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題。

（2）文中采用不同的連接方式進(jìn)行了有限元分析，兩種方法得出的結(jié)果一致。從建模、分析效率上看，鉸接的連接方法優(yōu)勢(shì)明顯，不僅可以簡(jiǎn)化建模，也能防止設(shè)置接觸對(duì)時(shí)出現(xiàn)遺漏而影響分析結(jié)果；但在運(yùn)算時(shí)鉸接的連接方法占用的電腦資源更多，需要的運(yùn)算時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)電腦有更高的要求。本文采用兩種連接方法求解實(shí)際工程問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)可為今后類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。