基于Workbench的導(dǎo)管架吊裝分析

沈忱 王燕 莫燕 郝麗琦 李英俊

摘? 要：為對導(dǎo)管架整體吊裝安全性進行數(shù)值模擬分析，采用有限元法。利用ANSYS Workbench對導(dǎo)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(wǎng)格劃分過程中對不同的板厚和位置設(shè)置不同的偏移方向。利用力質(zhì)量單元向?qū)Ч芗苣Ｐ唾x值，利用重力加速度施加場力。導(dǎo)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(guān)鍵部位進行細化網(wǎng)格處理。在導(dǎo)管架吊裝受力后處理時，檢查結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力情況，并重點檢查吊點的應(yīng)力情況。檢查遠程點反力并與導(dǎo)管架重量進行比對。檢查導(dǎo)管架整體位移避免發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：殼單元；質(zhì)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(dǎo)管架作為世界上應(yīng)用范圍最廣的一種平臺形式，每年在渤海大約有20余座導(dǎo)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(yīng)用最廣的一種導(dǎo)管架安裝方式。在整個吊裝過程中，吊點成為關(guān)系導(dǎo)管架施工安全的關(guān)鍵，在吊裝設(shè)計時需要重點關(guān)注。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展和改進，吊點的結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)管架為例，在有限元分析軟件ANSYS Workbench中對導(dǎo)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(dǎo)管架模型

本文以渤海某岸電平臺導(dǎo)管架為例，該導(dǎo)管架總重量872 t，采用4個吊點進行海上安裝。導(dǎo)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(jù)規(guī)范DNVGL-ST-N001《Marine operations and marine warranty》，吊點間隙板的厚度不應(yīng)大于中間主板的厚度，吊點孔處吊點板的總厚度不應(yīng)小于卡環(huán)開口寬度的75%，卡環(huán)參數(shù)與吊點數(shù)據(jù)對比見表1。

2? 有限元模型

2.1? 建立有限元模型

2.1.1? 結(jié)構(gòu)建模

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

結(jié)構(gòu)模型完成后，在Workbench中建立靜力分析流程，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)圖，分別對相應(yīng)的面體設(shè)置厚度，同時將鋼結(jié)構(gòu)的材料屬性賦予結(jié)構(gòu)。由于靜力分析時使用重力場力作為導(dǎo)管架的受力來源，因此采用質(zhì)量點的形式對導(dǎo)管架施加場力，為避免導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生場力，在材料屬性中將導(dǎo)管架材料密度更改為0。

2.1.2? 質(zhì)量點建模

根據(jù)導(dǎo)管架重量控制報告，導(dǎo)管架起吊總重量為872 t。而導(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)的重量為505 t，這是由于導(dǎo)管架上防沉板、立管等附屬結(jié)構(gòu)沒有在模型中體現(xiàn)（圖3）。由于吊裝分析中，對這部分的結(jié)構(gòu)強度不予關(guān)心，因此除導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)以外的附屬結(jié)構(gòu)重量可以以質(zhì)量點的形式施加到導(dǎo)管架上（圖4）。其他附屬結(jié)構(gòu)的重量應(yīng)為367 t。由于在導(dǎo)管架材料屬性中設(shè)置了材料密度為0，因此導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生場力，將導(dǎo)管架總重量以質(zhì)量點的形式施加到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上。

2.1.3? 吊點模擬

導(dǎo)管架吊裝時，導(dǎo)管架4角的吊點通過卡環(huán)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(dǎo)管提起。由于鉤頭上升的速度非常緩慢，導(dǎo)管架在起吊過程中并不產(chǎn)生加速度，因此導(dǎo)管架實際受力是由其自身下墜產(chǎn)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(qū)域為導(dǎo)管架的4個吊點，設(shè)置顯示遠程點的控制方程（圖5）。這實際上是簡化了吊裝設(shè)備中的卡環(huán)和鋼絲繩，只對導(dǎo)管架的鋼結(jié)構(gòu)進行受力分析。

2.2? 網(wǎng)格劃分

Workbench中的單元類型由程序自動指定，用戶指定網(wǎng)格的單元形函數(shù)的階次后，程序根據(jù)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(dǎo)管架整體網(wǎng)格劃分可以用一個較大的網(wǎng)格尺寸進行控制（圖6），對于分析重點關(guān)注的吊點采用局部細化網(wǎng)格劃分（圖7）。

劃分網(wǎng)格后，模型以指定的板厚進行顯示（圖8），檢查劃分網(wǎng)格后的有限元模型，按板的實際位置調(diào)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(shè)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(dǎo)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(tài)過程，在某一時刻，自鉤頭以下，導(dǎo)管架處于自由狀態(tài)。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(dǎo)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(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)和質(zhì)量點的重量，均以場力的形式作用于模型。導(dǎo)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(dǎo)管架整體應(yīng)力結(jié)果、整體位移結(jié)果、遠程點處的反作用力。查看整體應(yīng)力結(jié)果，如圖11所示，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的位置為吊點頂部蓋板結(jié)構(gòu)拐角處，最大應(yīng)力為205.2 MPa，吊點鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為355 MPa，吊點受力處于許可范圍內(nèi)（圖12）。

檢查導(dǎo)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(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的彈性變形。導(dǎo)管架底部由于質(zhì)量點的作用也產(chǎn)生了一定的彈性變形，實際情況中，導(dǎo)管架質(zhì)量是作用于整體模型，并不會在底部產(chǎn)生彈性變形。檢查導(dǎo)管架整體位置變化，發(fā)現(xiàn)相對于原始位置未發(fā)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(dǎo)管架起吊后未發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

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(dǎo)管架整體重力相等，說明導(dǎo)管架重力全部作用于鉤頭，未產(chǎn)生其他方向的偏移。

4? 結(jié)論

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

1）對于導(dǎo)管架的主結(jié)構(gòu)和吊點，殼單元是一種快速高效的有單元分析類型。

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

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

4）起吊過程為準靜態(tài)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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