基于ANSYS的海洋平台吊点结构强度分析

冯加果，刘小燕，谢　彬，谢文会，王世圣

(1.中海油研究总院，北京100027；2.北京高泰深海技术有限公司，北京100011)



基于ANSYS的海洋平台吊点结构强度分析

冯加果1，刘小燕2，谢彬1，谢文会1，王世圣1

(1.中海油研究总院，北京100027；2.北京高泰深海技术有限公司，北京100011)

吊点关乎海上吊装作业安全，在工程实施中非常重要。基于工程需要提出了结合ANSYS和SACS、利用有限元分析技术校核吊点强度的流程和方法。该方法高效准确，取代了以前吊点计算依赖人工的半经验、半解析方法。并应用该流程完成了某海洋平台吊点的强度校核，结果表明该吊点设计满足规范要求，并已成功完成海上吊装。探讨了圆环结构沿吊绳方向和沿吊孔孔径方向两种施加载荷的方式，在工程应用中推荐采用载荷沿吊孔孔径方向施加。实践证明了提出的方法可靠、安全，可为其他圆筒结构、局部结构的设计提供指导。

海洋平台；吊点；强度分析；ANSYS

海洋平台吊点虽然是海洋平台吊装过程中的辅助结构，但它是结构安装过程中的关键结构。2009年12月，SZ36-1CEPK西组块在安装过程中出现吊点横柱护板焊接处发生断裂。在绥中36-1Ⅱ期工程的6个组块及秦皇岛32-6工程A、B组块吊点设计中均出现过严重影响到结构安全的吊点强度问题[1]。因此，吊点的强度校核是保证各结构安装顺利的前提，是确保海洋平台结构安全运输的关键结构[2]。由于吊点处结构复杂，很难依靠人工进行精确计算，以前只能凭借经验、查找手册规范等进行半经验、半解析设计，这样的设计太依赖于设计者的经验，设计的结构也不一定是最优方案。近年来，随着计算机技术和有限元应用的快速发展，吊点结构的强度校核越来越依赖于ANSYS等有限元软件。应用ANSYS软件有它的经验和技巧，如何使该软件计算的结果更合理、更接近实际也是值得思考的。本文运用ANSYS软件研究了一套吊点结构的强度校核的有限元分析流程，对其中的关键步骤进行了探讨。

1　吊点结构的强度校核及有限元分析流程

为了使ANSYS软件的计算结果更接近实际，考虑到ANSYS软件和SACS软件的数据接口功能，综合运用这两种软件，将SACS整体分析的相关结果经过处理，作为边界条件施加到ANSYS模型中，同时提炼模型建立技巧、边界条件和载荷施加方法以及计算结果处理方法等，建立了一套吊点结构强度校核有限元分析流程，如图1所示。

图1　吊点结构强度校核的有限元分析流程

1.1有限元模型建立及网格划分

1)建立有限元模型。按照ANSYS软件操作要求建立模型，但此过程要注意模型的简化。与吊点相关的结构通常是由很多钢板、钢管和型钢等焊接而成，由于对焊缝的模拟会涉及到倒角，这将耗费大量的时间和资源。鉴于此，需要对模型进行简化。根据圣维南原理，对于特别关注的区域详细模拟倒角等结构，对于其他在宏观分析中可忽略或不重点关注的区域，则将该区域的焊缝和倒角进行简化模拟。操作方法是在建立模型时先分别建好这些区域的结构，再通过APTN等命令将它们的属性定义成是相连的，这些结构的相交线即为焊缝。

2)选择合适的单元。单元的选择取决于所分析实体的几何特征及行为特征，也取决于人们对各种单元特性的了解。常用的有实体单元、壳单元和梁单元，与吊点相关的结构大多是板壳单元，下面主要探讨板壳单元的特性。根据板壳理论，当结构的总体厚度比典型长度小很多时可使用壳单元，ANSYS中有3类壳单元：

第1类。采用薄膜理论，忽略弯曲和横向剪切的壳单元，称为膜壳，比如Shell41；

第2类。符合Kirchhoff薄板理论考虑了弯曲和薄膜效应，但忽略了横向剪切的壳单元，称为薄壳，比如Shell63；

第3类。既考虑弯曲和薄膜效应，也考虑横向剪切效应的壳单元，称为厚壳，比如Shell43、Shell143、Shell181、Shell93、Shell99、Shell91。

这3类壳单元的区别是是否考虑剪切效应，而在有限元分析中，当计入剪切变形的壳单元应用于很薄的板壳结构时，ANSYS在采用数值积分计算单元刚度矩阵过程中常会由于剪切闭锁而导致单元剪切刚度被夸大使得结构变形偏小，从而影响计算结果，因此对于一定厚度的板材需要选择合适的壳单元，可参考以下原则：如果壳的长度比厚度大10倍以上的板材即厚度非常小，可采用Shell63；如果横向剪切变形对计算结果影响较大，对均匀材料选用Shell93或Shell143单元，对于复合料选用Shell91或Shell99，但此时注意适当增加单元网格密度，减小剪切闭锁的影响。对于吊耳和与其相连的结构，这里推荐使用薄壳单元来划分网格，如Shell63单元。

3)划分网格。网格划分的越密集，计算结果越精确，但耗费的计算机资源和计算时间也就越长。因此，单元的划分一方面要考虑计算精度的要求，另一方面也要考虑计算机的条件，比较合适的做法是对于比较关注的区域网格就划分比较密集，对于远离关注区域的单元，网格就可以划分的比较稀疏(如图2)。网格的划分也可根据实践经验来局部控制单元密度，在应力梯度变化大的部位，单元可以划分的密集一些，反之在应力梯度变化平缓的部位单元可以取大一些。另外，网格划分应尽量使用四边形单元，四边形单元是双线形单元，计算精度比三角形单元高。比如对于比较关注的区域，可采用LSIZE命令来控制线的划分长度，对于其他区域采用ESIZE命令控制单元大小即可，一般情况下多采用自由MESH，当然也可应用MSHAPE和MSHKEY命令来指定单元形状和映射情况。

图2　吊点有限元模型

1.2边界条件施加方法

在有限元分析中，边界条件和载荷是影响计算结果的关键因素。因此，如何模拟好边界条件和施加合适的载荷是有限元分析取得合理结果的关键步骤。在本研究中，载荷及边界条件简化时要符合圣维南原理和平面假设，即不能显著影响离边界条件较远区域的分析结果。

过去施加边界条件主要通过适当选取与吊装结构相连接的构件的长度，对这些边缘结构的端部施加固定约束或简支约束，以此减小边界条件对所关注的吊点结构的分析结果的影响，但经常会产生很大误差，使得吊点设计不是强度不够造成安全事故就是强度剩余过多造成材料和施工的浪费。本文采取的边界条件施加方法是，考虑到软件间的数据可以相互借用，对于吊装问题，通过SACS软件进行整体吊装分析，从中提取所需节点的解，经过适当处理(比如坐标系转换)后作为边界条件施加到ANSYS模型上去。但是，很多与吊耳连接的构件是筒形结构，这些结构在SACS整体吊装分析中是一根线，提取数据时提取的是这根线的断面即某节点的数据。在ANSYS局部分析中，这些筒形结构是板壳围成的筒形，它们的截面是圆，边界条件施加过程就涉及到如何将从整体吊装中提取的节点的数据作为边界条件施加到圆上。经过总结主要有3种方法[4]：

1)假设载荷在截面上是均布的，截面每一节点的约束均相同。

2)在截面形心处建一节点，利用ANSYS软件的耦合功能将截面上的节点自由度与形心节点自由度耦合起来，再将载荷和约束施加到形心节点上。

3)在截面形心处建一节点，利用ANSYS软件中的Link2、Beam4等单元将该节点与周围节点一一连接起来，再将载荷和约束施加到该形心节点上(如图3)。

前2种方法在杆件受弯时不符合圣维南原理和平面假设，但这两种方法在取较大的模型，截面内的力偶较小可以忽略时的计算结果可以接受。第3种边界条件施加方式完全符合圣维南原理和平面假设，推荐使用。本文即采用该方式施加边界条件研究局部结构的强度校核问题。

图3　圆筒结构的边界条件施加模型

1.3载荷施加

在吊点设计过程中，对吊点和直接与吊点连接的结构件，其所受载荷应考虑2.0的动力载荷系数[5]。对其他传递提升力的构件考虑1.35的动力载荷系数。具体的吊绳力可从SACS软件的整体吊装分析中提取。现在主要解决的问题是如何合理将吊绳拉力施加到吊耳上。

吊绳拉力主要通过卡环销传给吊耳，其对吊孔的作用力主要作用在与卡环销接触的半个圆环面上，本文介绍两种方法模拟吊绳拉力对吊耳产生的作用力。

1)吊孔各节点受力均平行于吊绳方向。假设卡环销对吊孔产生的作用力按照余弦分布在与其接触的圆环面上，方向均沿吊绳方向，这种情况下吊耳上各节点的受力分布由式(1)决定：

(1)

式中：F表示吊绳拉力，考虑动载荷系数；F0x表示吊绳方向上节点受力；Fθx表示与吊绳方向夹角为θ的节点所受的力，方向沿吊绳方向，其分布如图4a所示。

2)吊孔各节点受力沿吊孔孔径方向。仍然假设卡环销对吊孔产生的作用力按照余弦分布在与其接触的圆环面上，不同的是力的方向垂直于接触面向外(这样考虑的理由是两面接触受压时力总是垂直于接触面)，这种情况下吊耳上各节点的受力分布由式(2)决定：

(2)

式中：F表示吊绳拉力，考虑动载荷系数；F0r表示吊绳方向上节点受力；Fθr表示与吊绳方向夹角为θ的节点所受的力，方向沿其径向，其分布如图4b所示；Fθrx表示Fθr在吊绳方向的分力。

a　各节点力沿吊绳方向加载

b　各节点力沿吊孔孔径方向加载

根据上面的公式，在ANSYS程序中，先运用*GET命令获得与卡环销接触的吊孔节点的编号，再应用*DIM命令定义一些数组，然后应用*DO循环命令完成力的加载，加载后的有限元模型如图4所示。

1.4计算结果后处理

应用ANSYS进行局部强度校核时，若对模型进行了简化处理，则焊缝附近的节点会产生应力集中现象，这时该处产生的应力将会是屈服应力的1.1～3.0倍[4]，因此需要对计算结果进行后处理来判断结构强度是否满足规范要求。通常有2种方法，一种是凭工程实践经验剔除掉计算结果很明显失真的节点，再去观察其他节点的强度，例如板厚突变处、网格不规则处等；另一种是依据文献[1]和[3]，考虑将这些局部的峰值减小为它们所在断面一定宽度上节点应力的平均值。具体做法是取该峰值所在的节点沿板厚方向在板厚范围内的所有节点的应力平均值，然后判断这些平均值是否满足规范要求。在用ANSYS进行该处理时，可先用NSEL命令选出所需平均的节点，然后通过PRNSOL命令输出这些节点的等效应力值，再通过EXCEL的分列和计算功能得到这些节点应力的平均值。

2　计算实例

本文以某平台吊点为例，进行吊点结构的强度校核及有限元分析。该吊点结构如图5所示，吊耳PL-50和PL-38板材采用GB 712—2000，E36-Z35钢材，PL-25板材采用GB 712—2000，D36钢材，屈服强度为355 MPa。

图5　吊点结构

按照结构图建立好ANSYS模型和完成SACS整体吊装分析后，提取吊装分析中相关连接部位节点的位移和转角如表1所示，得到最大吊绳力为3 630 kN。将表1的数据作为边界条件采用上述的第三种边界条件施加方法加到相应截面的形心上；分别采用上述载荷施加的两种方法(即各节点受力均沿吊绳方向和各节点受力沿各自径向)将最大吊绳力施加到吊耳模型上(除加载方式不同，其余建模方法、划分网格都相同)，计算得到的应力分布图分别如图6所示。

表1　从SACS中提取的连接部位各节点的位移及转角

a　各节点力沿吊绳方向加载

b　各节点力沿吊孔孔径方向加载

从图6中可以看出，吊点的下面板与桩腿连接处的焊缝有应力集中情况，最大应力为817.3 MPa(各节点力沿吊孔孔径方向加载)和803.19 MPa(各节点力沿吊绳方向加载)，可以看出该处的应力峰值是材料屈服强度的2倍多，但对于板壳结构来说，线性弹性理论计算得到的应力结果会包括局部明显的峰值，依据文献[3]可对峰值所在节点周围(板厚范围内的)节点的节点应力取平均作为该处的等效应力，提取的节点、应力值及计算结果如表2所示，当各节点力沿吊孔孔径方向加载时的节点峰值处的平均等效应力为288.41 MPa；当各节点力沿吊绳方向加载时的峰值的等效应力为284.76 MPa，等效应力均小于319.50 MPa(0.9倍的屈服强度)，因此该吊点设计满足吊装强度要求。事实上，该吊点在2010年3月的吊装使用中效果良好，也说明文中建立的吊点结构有限元分析流程是可靠的。

表2　焊缝节点峰值处等效应力　MPa

3　结论

1)本文提出了将ANSYS和SACS相结合、利用有限元分析技术校核吊点的流程和方法。该方法高效准确，取代了以前吊点计算凭借经验、查找手册规范等依赖人为经验的半经验、半解析设计方法。应用该流程完成了某吊点的强度校核分析，结果表明该吊点设计满足规范要求。该吊点已完成海上吊装，证明了文中提出的方法及流程是可靠的。

2)对于圆环结构载荷的施加，文中探讨了沿吊绳方向和沿吊孔孔径方向两种加载方式，对比分析后认为当节点力沿吊孔孔径方向加载时得到的该结构的应力峰值和应力平均值都稍大。在工程分析中推荐采用吊孔孔径方向加载的方式，这样既保守也更符合两面接触时力的作用方向的物理意义——垂直于接触面。

3)文中提出的有限元分析方法、圆环载荷施加方法等除适用吊点外，也适用于其他圆筒构件(比如裙桩套筒、单点系泊连接部位、销连接构件等)，可为其他典型局部结构的设计提供指导。

[1]谢彬，高瑞力，谢文会．新型组块吊点的设计和应用[J]．中国海上油气，2008，20(4)：264-266.

[2]王宁，徐田甜．西江23-1油田平台模块海上吊装优化设计[J]．石油矿场机械，2007，36(8)：2-30.

[3]Det Norske Veritas.Rules for classification of fixed off shore installations[S].Oslo：DNV，1989.

[4]肖亚飞，杨晓刚．利用ANSYS程序对导管架典型局部结构进行有限元分析的方法探讨[J]．中国海上油气(工程)，2002，14(4)：16-21.

[5]American Petroleum Institute.API RP 2A-WSD，Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S]．Washington：API，2000.

Strength Analysis of Lifting Padeye on Platform Based on ANSYS

FENG Jiaguo1，LIU Xiaoyan2，XIE Bin1，XIE Wenhui1，WANG Shisheng1

(1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；2.COTEC，Beijing 100011，China)

Lifting padeye is related to the safety of offshore lifting operation，which is very important in engineering implementation.Due to the engineering’s need，a strength check process and method which combined ANSYS and SACS and used finite element analysis technology are proposed for the lifting padeye design.This method is effective and accurate，and replaced the semi-empirical and semi-analytical method depended on personal experience to design the lifting padeye before.The strength analysis of a project lifting padeye is complete by applied the above method，and it was shown that the design of lifting padeye meet the specification requirements.This lifting padeye had already been successfully used in the offshore lifting.The two load applied direction mode of ring structure is discussed，one is along the lifting rope direction and the other is along the aperture direction of the ring.The latter one is recommended in engineering application.It was proved that the method proposed in this paper was reliable and safe by practice.This method is also provided the guidance for the design of other cylindrical structure，local structure，and there is a good application prospect.

offshore platform；lifting padeye；strength analysis；ANSYS

1001-3482(2016)05-0032-06

2015-10-27

国家科技重大专项“深水平台工程技术”(2011ZX05026-002)

冯加果(1985-)，男，湖北黄冈人，工程师，硕士，主要从事海洋石油平台结构物设计等技术研究，E-mail：fengjg@cnooc.com.cn。

TE951.02

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.05.007