生活楼防爆墙防爆性能分析

魏亚菲++李娟

摘 要：在海洋平台发生爆炸的情况下，生活楼防爆墙的防爆性能将很大程度上影响平台工作人员的安全。采用ANSYS软件建立生活楼防爆墙整体有限元模型，在考虑了爆炸压力的基础上，对防爆墙爆炸工况下的性能进行准静力分析，计算得出防爆墙结构各个组成部分的受力及变形，并根据模拟计算结果对生活楼防爆墙安全性能进行评价，为生活楼设计提供技术保障。

关键词：生活楼防爆墙；爆炸压力；有限元模型；准静力分析

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

1 引言

随着海洋经济的发展，海上石油开采量占我国石油开发总量比重逐年增加。而近些年来，海洋平台生产事故频发，安全问题越来越引起各方关注，爆炸、火灾等特殊状况逐渐纳入海洋平台设计的范畴。海洋平台生活楼是海上生产人员的生活休息场所，是平台上人员最为密集的区域，生活楼防爆墙在爆炸时起到保护生活区人员的作用，因此，针对生活楼防爆墙受力情况的研究对生活楼结构设计及保证爆炸过程中生活区域人员的安全都具有重要意义。 本研究针对渤海海域一平台生活楼防爆墙，利用SHELL 181单元模拟防爆墙的结构框架及墙皮，建立模拟防爆墙爆炸过程受力的有限元模型，计算出受力结果并利用结果对防爆墙的安全性能进行评价，对海洋平台生活模块设计有一定参考意义。

2 有限元分析理论基础[1]

有限元法是将连续体用网格划分为有限数目个单元体，这些单元体之间在节点处相互铰结，形成离散结构，用这些离散结构来代替原来的连续体结构，以分析应力和变形，将荷载移置作用于离散结构的节点上，成为节点荷载。应力—应变关系表示为：

（1）

式中：为弹性矩阵。由虚位移原理和应力—应变关系，可建立节点荷载和节点位移之间的关系，即

（2）

式中，[K]，[δ]，[R]分别为刚度矩阵，节点位移和节点荷载列阵。解方程可求得位移，进而可推出应变和应力的分布。

3 有限元模型建立

3.1 材料的选择及参数

本文以渤海湾某平台生活楼防爆墙参数为基本数据进行计算，模型使用的主要参数有：弹性模量E、剪切模量、泊松比、钢材密度。防爆墙墙皮及支撑型材材料材质选取遵循该项目规格书中的要求，其屈服强度及材料性能如表1所示。

注意：根据API RP 2A中 C18.7.3章节[2]，分析爆炸荷载下的结构时，可将许用应力的安全系数提升至1.0，因此，防爆墙组件的许用应力等于其材料的屈服强度。

3.2 建模并划分网格

本文采用了美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS15.0进行防爆墙的局部有限元分析。该计算选用181壳单元对防爆墙结构进行模拟，181壳单元适用于分析薄至中等厚度的壳形结构，它是每个节点具有6个自由度的4节点单元，6个自由度指X、Y、Z三个轴方向的位移和绕X、Y、Z三个轴的转角。181壳单元非常适用于线性、大转角或大应变非线性分析[3]。

网格划分的好坏直接影响求解的精度及速度，该计算采用扫略方式划分网格，整个模型单元间由节点连接，单元变形满足几何连续性。

3.3 施加载荷及约束

防爆墙由横向支撑梁和竖向支撑拉筋固定，为模拟甲板梁对防爆墙的约束，必须在模型里建立做够长的甲板梁，并对该段甲板梁末端节点施加三个方向的约束。经过试算分析，模拟的甲板梁的长度不能小于1.5倍梁的高度。

依据规范，爆炸过程中除爆炸压力外其他受力相对较小，可不考虑。业主提供的火灾及爆炸分析报告中的数据显示，生活楼高度处的最大爆炸压力为0.13bar，本文取爆炸过程中防爆墙所受的最大爆炸压力0.13bar作为恒定值施加到相对应的结构上。

生活楼防爆墙边界条件及爆炸过程中的受力情况如图1，2所示。

4 计算结果分析

该爆炸过程采用静态分析模拟，并打开大变形选项，如果一根或多根梁变形过大，则会使刚度矩阵不正定，从而导致分析不收敛。根据有限元模型分析计算，防爆墙最大受力为252.229MPa，最大变形为9.757mm，各部分受力及变形结果如表2所示。

计算结果满足防爆墙各部分的屈服应力要求，该防爆墙结构能够

（下转第206页）

（上接第269页）

承受设计的爆炸压力值，并且不会失稳。防爆墙的整体受力情况及变形见图3、图4。

5 结论

利用ANSYS建立生活樓防爆墙模型，进行防爆墙防爆性能分析，得出以下结论：

（1）利用Shell181单元建立生活楼防爆墙有限元模型，对爆炸过程中防爆墙受力情况进行模拟是可行的。

（2）爆炸时最大应力发生在支撑梁及立柱上，防爆墙各部位最大应力均小于其许用应力值，结构强度满足设计要求。

（3）爆炸过程中墙皮吸收爆炸产生的能量，发生变形，最大变形量为9.757mm，这个数值小于墙皮与临近设备的最小间隙，满足安全要求。

（4）对于爆炸模拟计算结果中所受应力安全储备余量较小、变形较大的部位，可通过加大材料规格及增加支撑等多种形式进行加强。

该模拟计算方法对于生活楼防爆墙爆炸过程中受力检测及安全性能评价有重要参考价值。

参考文献：

[1]颜云辉，谢里阳等.结构分析中有限单元法及其应用[M].沈阳：东北大学出版社，2000.

[2]中国海洋石油天然气标准.海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法（SY/T4802-92）.2014：135.

[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

作者简介：魏亚菲（1989-），女，山东博兴人，助理工程师，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。