基于ANSYS的浮托组块对接插尖有限元分析

赵阔 张兴 文志飞 唐占飞 高伟 魏永佳

【摘要】在海洋石油平台上部结构浮托安装过程当中，对接插尖起到了组块定位及传导对接力的重要作用。本文采用ANSYS有限元分析软件对对接插尖进行强度分析。计算和分析了不同模拟方法下的插尖分析结果，给出了利用有限元法进行对接插尖分析的基本原则和推荐做法，对类似结构的有限元分析具有一定的指导意义。

【关键词】对接插尖 有限元 耦合自由度

导管架平台已被广泛地运用于海洋石油工业之中，对于海上安装重量在6000t以上的上部结构，浮托法已成为主要的安装方式。

浮托安装通常可以分为进船，位置调整，准备加载，荷载转移，继续加载和退船几个步骤。在荷载转移过程中，上部结构荷载逐步从浮托驳船转移到导管架结构上。为了保证荷载转移过程中导管架和上部结构的安全，需设置缓冲装置。通常做法是在导管架腿顶端安装桩腿耦合缓冲器（LMU），在驳船甲板上设置上部组块对接缓冲器（DSU），对接方式见图1。

上部组块对接插尖结合LMU可将上部结构重量平缓地从驳船传递到下部结构，并吸收安装过程中的碰撞载荷，避免局部结构破坏，对接插尖需要保证足够的强度以满足荷载传递要求。

1 有限元模型的建立1.1 有限元模型

图2给出了利用ANSYS建立的有限元分析模型。其中钢结构部分采用SHELL63单元，混凝土部分采用SOLID185单元。

由于插尖结构比较简单，采用Free自由网格划分。插尖所用钢板厚度为25～50mm，网格尺寸选取50mm，取得比较好的网格划分结果，如图2所示。1.2 边界条件加载方式

插尖上部与组块立柱焊接在一起，将插尖上边缘节点的6个自由度给予约束，立柱模拟长度至少取一倍腿柱直径。对接过程中，插尖底端圆锥与LMU逐渐接触，对接力由插尖传递到LMU上。边界条件加载结果见图2。1.3 耦合自由度的运用

由于焊接施工空间有限，加强筋板与插尖盲板之间未进行焊接，需要正确考虑加强筋板和插尖受力后的变形协调问题。如不进行耦合设置，盲板的变形与筋板的变形孤立，碰撞力完全由盲板和立柱承担，其计算结果偏离实际，见图3。

如直接将加强筋板和盲板模拟为刚性连接，即在计算过程中，认为盲板和加强筋板之间是进行了焊接的，则筋板的受力情况也与实际有较大的出入。由于筋板和盲板未进行焊接，加强筋板受力时接近一个扁梁，其截面顶部和底部应力应大致相等。而按照刚性连接模拟的情况下，加强筋板受力时相当于一个T形截面的梁，T形梁跨中处翼缘的应力远小于其腹板处的应力，而T形梁交点处翼缘的应力又远高于腹板处的应力，筋板受力不合理，见图4。图6 浮托组块对接插尖的有限元分析的

总体结果

由于插尖主要是受垂向力的作用，筋板与盲板紧密相连，当盲板受力引起变形，筋板与相接触的盲板之间应具有相同的Z向变形。在ANSYS分析过程中，借助自由度耦合技术，把筋板节点与盲板相邻节点的Z向自由度进行耦合，可较好的模拟筋板对插尖及盲板的支撑作用。计算结果较好的反应了加强筋板和盲板的实际受力状态，见图5。

1.4 对接计算结果分析

该浮托组块对接插尖的有限元分析的总体结果如图6所示。结果显示，除去筋板和立柱的交点以外，插尖和立柱总体上的应力均小于许用应力值。这部分超应力区的产生是由于在筋板和立柱的交点处未对焊缝的过渡效果进行模拟，产生了一定的应力集中现象。这部分超许用应力的区域比较有限，分布范围小于两个单元的大小，插尖对接分析的结果总体上是可以接受的，插尖的强度可以满足组块浮托安装时的对接要求。

2 结论

本文针对浮托组块普遍采用的对接插尖结构进行了研究和分析，考虑了加强筋板与插尖间耦合自由度的运用。结果表明：

（1）若不进行自由度耦合，两种分析结果都严重偏离实际受力情况。运用耦合自由度的方法可以较好的反映插尖与加强筋板之间的实际受力关系，正确评估插尖的能力，保证浮托安装的顺利、安全实施；

（2）设置耦合自由度进行分析时，会增加一定的建模工作量。但只要将网格尺寸控制在1倍板厚大小左右，就能在获得较好的网格划分效果和应力计算结果的同时不过多增加建模工作量。

参考文献

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