基于ANSYS软件的海上升压站上部组块吊耳的有限元分析

2020-10-12吴子昂张晓蕊

水电与新能源 2020年9期

吴子昂，张晓蕊

(上海勘测设计研究院，上海 200335)

伴随着海上风电的快速发展，海上风电单机容量越来越大型化，为了应对海上风机的“大兆瓦”时代，风电场内配套的海上升压站规模也越做越大。上部平台总重由3 000 t逐步向4 000 t乃至5 000 t发展，海上升压站的尺寸和质量的不断增长对海上吊装提出了更高的要求。而吊耳的设计强度如果不符合要求，将会为整个吊装施工过程带来巨大的隐患，因此吊耳的强度校核是一项极为重要的任务。

随着计算机数值模拟技术的快速发展，有限元分析在工程设计过程中的应用愈加广泛。张系斌[1]运用ANSYS软件对吊耳的应力进行了分析，并提出了相应的校核方法；肖文勇[2]提出了吊耳有限元计算中插销与吊耳板接触计算的简易算法，进行了误差分析，可行性分析。贠亚杰[3]等通过有限元计算在不改变吊耳与其他构件之间装配尺寸的前提下针对吊耳板进行了结构优化。徐月忠[4]通过使用理论计算与有限元模拟，对比研究了吊耳结构强度，为实际应用提出了参考。于万明[5]等通过实验数据来验证数值模拟的准确性，对吊耳的设计优化提出了建议。

本文以某海上升压站上部平台吊耳为例，从传统角度出发介绍了吊耳强度的计算过程，对比分析了理论计算结果与有限元模拟结果，探究了升压站吊耳放置角度对连接处结构强度的影响，为吊耳在海上升压站结构的实际应用提供了参考。

1 吊耳的理论计算方法

海上升压站上部组块通常采用框架-支撑体系(主要有梁、柱、斜撑、甲板、舱壁等)，一般通过4根主立柱与钢管桩连接传递上部荷载，因此上部组块通常布置4个吊耳，吊耳一般焊接在主立柱上。吊耳的理论计算主要在于两个方面：吊耳危险截面的强度校核，吊耳板与吊耳加强板之间的焊缝强度校核。

1)计算吊耳孔强度时通常使用式(1)来校核轴向应力：

(1)

式中：PV为吊耳平面内竖向荷载；η为动力放大系数；W为上部组块总重；q为吊耳数量；T为吊耳总板厚(包括吊耳板厚，吊耳加强板厚)；Rx为卸扣半径；Fp为许用轴向应力；Fy为材料的屈服强度。

2)计算吊耳孔强度时通常使用式(2)来校核剪切应力：

(2)

式中：PV为吊耳平面内竖向荷载；n为吊耳板及吊耳加强板总数量；Ri为吊耳板或吊耳加强板对应半径；Rk为吊耳孔半径；ti为吊耳板或吊耳加强板对应板厚；FV为许用剪切应力。

2 吊耳的有限元计算

2.1 有限元模型

以某海上升压站上部组块吊耳为例，通过ANSYS建立吊耳、上部组块主柱及相连工字钢模型。有限元模型采用面单元(SHELL63)，吊耳每侧有2块吊耳加强板，吊耳板及吊耳加强板板厚为60～90 mm，加劲环板板厚为50 mm，立柱直径为1 500 mm，长度15 m。结构材料选用DH36-Z35和DH36，屈服强度为355 MPa，材料密度为ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量为E=2.06×103Pa，泊松比ν=0.3。计算分析采用的长度单位为m，力的单位为N，应力单位为Pa。有限元模型如图1、图2所示。

图2 吊耳局部有限元模型图

图1 整体有限元模型图

本文与其余研究差异之处在于：这里并非只建立了吊耳模型，同时也建立了与吊耳相连的立柱和梁的有限元模型。一方面是考虑到单纯的固支与吊耳板相连的底板进行受力分析并不能精确模拟施工工程中吊耳的受力情况，在进行吊耳强度分析时，不宜只考虑吊耳板及吊耳加强板的受力，还要进行与吊耳相连结构的受力分析；另一方面由于升压站上部组块框架-支撑体系设计形式较为成熟，吊耳及相连结构的布置形式相似，建立更大范围的局部模型，通过对吊耳及相连结构的整体受力分析，后续还能够对此类吊耳布置形式提出优化，为升压站上部组块设计提供更多参考。

2.2 边界条件及荷载

边界条件：考虑到在ANSYS中仅建立了局部模型，吊耳两侧工字钢未完整建出，因此对两侧工字钢梁末端进行对称约束；由于支撑-框架结构足够稳定，此处认为立柱下端刚度足够，因此对主柱底部末端进行全固支约束。

荷载工况：上部组块自重为3 000 t，将外部荷载施加在吊耳孔上半区内。在考虑了适当的重力放大系数及吊装过程中的偏心系数后，外部荷载如下：吊耳平面内竖向荷载PV=18 000 kN，方向为Z轴正向；吊耳平面内水平向荷载PH=2 530 kN，方向为X轴正向；吊耳平面外水平向荷载PZ=909 kN，方向为Y轴正向。

模型约束并加载后如图3所示。

图3 边界条件及荷载图

2.3 结果分析

加载求解后的von Mises应力云图如图4所示，静力计算结果表明模型最大应力为277 MPa，最大应力位置发生在吊耳座板与主柱相连位置。

图4 整体结构von Mises应力云图

由应力云图分布趋势进一步分析，若单看吊耳板上的应力分布(见图5)，吊耳板处最大应力为仅为201 MPa，发生在主吊耳板与吊耳加强板交界位置，此处应力大小要比整体最大应力小30%左右。能够看出此类吊耳形式吊耳板并非是最危险结构，相对危险位置共有两处：吊耳座板与主柱焊接处、吊耳加强板与吊耳板焊接处。因此在使用有限元软件进行吊耳强度校核时，若单纯的仅建立吊耳板及吊耳座板模型，边界条件采用固支吊耳座板，最终得到的校核结果并不准确，会错过吊耳危险应力位置。

图5 吊耳板von Mises应力云图

通过第二节的数学公式对比分析理论计算结果与有限元计算结果，计算结果详见表1。

表1 理论结算结果与有限元计算结果对比表 MPa

从对比结果中不难看出，理论计算方式由于并未考虑附加的补强结构(如吊耳环板、吊耳竖向加劲板)，只考虑了吊耳主板及两侧的吊耳加强板，计算结果过于保守，与有限元计算结果有明显差异，差值在1倍左右。因此在设计周期紧张时，虽然可以通过理论计算方法对吊耳进行快速校核，为结构设计提供参考，但是也会造成钢材浪费，上部组块总重增加。

2.4 吊耳布置角度优化分析

海上升压站上部组块由于其框架-支撑体系的结构特性，通常在主柱上布置4个吊耳来进行海上吊装。吊装过程中，采取吊装吊架-吊绳-吊耳的施工方式来控制吊绳与吊耳的平面外误差，基本做到了吊绳与吊耳板窄侧面垂直。由于其顶层框架结构布置的相对固定性，吊耳板的布置方向决定了施工时外部荷载的施加方向，同时也会影响到吊耳四周局部结构的受力情况。

海上升压站上部组块吊耳的通用布置形式如图6所示，其中一般情况下X、Y正向布置有工字钢与主立柱相连，主吊耳板窄侧面与X正向角度α决定了吊耳的布置方向。

图6 吊耳平面布置示意图

为了研究角度α对局部结构受力的影响，在保证处吊耳外其他结构形式不变的情况下，分别建立α=0°、45°、90°、135°的吊耳有限元模型，维持边界条件、外部荷载大小不变，仅改变外部荷载的作用方向分别进行计算分析。

图7和图8分别展示了不同角度下两处危险区域的最大应力变化。当角度α从0°逐渐增加时，应力变化先减小再增大，在45°时应力最小为235 MPa，135°时应力最大为277 MPa，应力变化较为明显，最大值较最小值增大了15%左右。主吊耳板的应力变化趋势虽然和底座板处相同，但是应力大小变化并不明显，角度的变化对主吊耳板应力的影响微乎其微。因此在进行海上升压站上部组块吊耳结构设计时，可以优先采取α=45°的方向来进行布置。