基于ABAQUS的半潜式钻井平台撑杆结构极限承载力计算

2012 SIMULIA 中国区用户大会 1 基于基于 ABAQUS 的的半潜式半潜式钻井钻井平台撑杆结构极限承载力平台撑杆结构极限承载力计算计算 刘 昆 张翼飞 1 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 江苏 镇江 212003 2 沪东中华造船 集团 有限公司 上海 200030 摘摘 要 要 船舶与海洋工程结构设计已从传统的许用应力设计向极限状态设计转变 研究其极限承 载能力及损伤变形模式 并确定结构设计的真实裕度 已成为结构理性设计的核心和基础 本文 利用数值仿真软件 Abaqus 采用弧长法 Ricks 方法 分析了深水半潜式钻井平台撑杆结构在横 开 横关载荷状态下的极限承载力及结构失效模式 并比较研究了不同初始缺陷对结构极限承载 力的影响 分析结果表明 横开与横关状态下结构的失效模式不同 不同初始缺陷对撑杆结构的 极限承载力产生了一定程度的影响 随着初始缺陷的增加 结构极限承载能力降低 关键词 关键词 半潜式钻井平台 撑杆 极限承载力 失效模式 初始缺陷 0 引言引言 随着结构应力分析理论和试验技术的发展 船体结构设计和材料使用日趋经济合理 船舶与 海洋结构在极端载荷作用下的强度问题就日益突出起来 这已成为国际船舶结构力学领域研究的 热点 目前计算船体结构极限承载力的代表性方法 1 2 有直接计算方法 逐步破坏法和非线性有 限元法 Caldwell 3 认为船体总纵极限强度即为船舯横剖面的全塑性弯矩 该方法没有考虑加筋板 单元的后屈曲能力以及截面应力的重新分布 容易高估总纵极限强度 为此 Smith 4 等学者提 出了逐步破坏法 该方法基于相关力学理论建立单元特性曲线 逐步增加船体梁曲率 建立剖面 弯矩 曲率曲线 曲线最高点即总纵极限弯矩 有限元法 5 是计算和评估复杂工程结构问题的强 有力工具 目前许多大型通用有限元软件已应用到船舶及海洋结构的极限强度计算中 但对结构 极限状态分析大多集中在结构单元及局部构件 2 4 7 本文研究的半潜式钻井平台立柱与立柱之间有 4 根横向支撑结构 它保证了平台结构的横向 刚度 对平台结构抵抗横浪载荷起到关键作用 但横撑结构的跨度比较大 在横关载荷下横撑结 构容易因受压而发生屈曲 崩溃失效 因此分析横撑结构在轴向力载荷模式下的极限承载能力意 义重大 分析实船结构在工作状态下的极限承载力十 分有必要 本文基于非线性有限元法 采用通用有限元软件 Abaqus 分析了深水半潜式钻井平台撑杆 结构在横开 横关载荷状态下的极限承载力及结构失效模式 并比较研究了不同初始缺陷对结构 极限承载力的影响 1 撑杆结构极限承载力数撑杆结构极限承载力数值计算值计算 1 1 撑杆结构有限元模型撑杆结构有限元模型 1 结构参数结构参数 横撑结构横剖面为六边形 沿长度方向由横向的肋板 T型材 将其分为若干小段 在靠近 立柱的 5 个小段设置纵向垂板 加强板 在六边形的六个角及上下面板中间设置T型材 其中 上下面板中间位置的T型材终止于两端的加强板 所有结构材料均为AH32 高强钢 其屈服应力 2012 SIMULIA 中国区用户大会 2 315 y MPa 杨氏模量E 210GPa 泊松比 0 3 密度 7850 kg m3 考虑材料的非线性 在极限分析时材料选理想弹塑性模型 图 1 和图 2 分别为为半潜式钻井平台示意图及水平横撑结 构截面尺寸 150X12 5 12 5 1830 1640 122 1 212 1 1 2 250X19 100X32 95X25 5 250X16 图图 1 半潜式钻井平台半潜式钻井平台 图图 2 典型剖面尺寸典型剖面尺寸 2 有限元模型有限元模型 考虑到边界条件及模型处理方便 由于结构对称 故取 1 2 模型进行分析 其中坐标系原点 位于撑杆对称截面的剖面中间位置处 X 轴沿平台高度方向 Y 轴沿平台长度方向 Z 轴沿平台 宽度方向 另外 撑杆结构外板 肋板的腹板 纵向加强板及 T 型纵骨腹板采用壳单元 shell S4R 建立 T 型纵骨面板采用梁单元 B31 结构的有限元模型图 3 所示 a 整体模型 整体模型 b 内部结构 内部结构 图图 3 撑杆撑杆结构结构限元模型限元模型 3 约束及载荷约束及载荷模式模式 图图 4 对称边界端约束对称边界端约束 图图 5 加载端约束及载荷加载端约束及载荷 撑杆结构 2012 SIMULIA 中国区用户大会 3 由于在建模过程中考虑到结构的对称性 只建立了撑杆 1 2 模型 故在结构中间位置采用对 称边界条件 即对称截面处取0 z xy 0 0 为了保证加载端 与平台立柱连接端 变形协 调且更好的传递载荷 通过多点约束对其进行耦合 只放松轴向位移 即 0 xyz xy 0 0 0 0 本部分主要分析撑杆结构在横关和横开载荷模式 分别对应结 构轴向受压力和轴向受拉力作用 下的极限承载力 轴向载荷以集中力的形式施加于参考点上 则基于平断面假定 加载端所有节点随参考点运动 约束及载荷施加如图 4 和图 5 所示 4 初始初始缺陷缺陷模拟模拟 结构初始缺陷主要指结构装配制造过程中 由于工艺 技术等原因引起的与理想设计间的偏 差 船舶及海洋结构在加工制造和焊接过程中 必然存在初始缺陷 即初始几何缺陷和焊接残余 应力 并且初始挠度和初始应力往往同时存在 结构的极限承载力不仅取决于构件的形状 尺寸 材料特性等 而且在很大程度上受初始缺陷的影响 因此 在结构极限强度分析中应充分考虑 本文主要考虑几何缺陷 即通过初始挠度模拟初始缺陷 图图 6 线性屈曲失稳模态 局部屈曲 线性屈曲失稳模态 局部屈曲 初始挠度一般通过模态分析获得 即在进行极限强度分析之前 先对模型进行特征值屈曲分 析 求取结构的屈曲模态 根据实际结构的初始挠度形状选择合适的屈曲模态 乘以一定的比例 系数来模拟结构的初始缺陷 在没有给定大致的初始挠度时 可以选用低阶模态进行模拟 本部 分选取一阶屈曲模态 放大系数 取 0 01 图 6 为撑杆结构一阶线性屈曲失稳模态 1 2 计算计算结果结果及及分析分析 图 7 为两种模型在横关 横开两种载荷模式下极限状态对应的整体应力 变形图 计算得到 的载荷位移曲线如图 8 所示 a 横关载荷横关载荷 b 横开载荷横开载荷 图图 7 撑杆结构极限状态变形情况撑杆结构极限状态变形情况 2012 SIMULIA 中国区用户大会 4 a 横关载荷横关载荷 b 横开载荷横开载荷 图图 8 撑杆结构的载荷撑杆结构的载荷 位移曲线位移曲线 从以上结果中可以看出 撑杆结构在横关载荷下的极限承载力为 81 5MN 略小于横开载荷 下的极限承载力 88 3MN 说明结构抗拉强度高于结构的抗压强度 横关载荷下结构的失效模式 表现为屈曲 塑性变形 载荷位移曲线呈现出明显的峰值载荷 结构达到极限状态后结构的承载 能力显著下降 而横开载荷模式下结构失效模式表现为屈服失效 载荷位移曲线呈现出明显的塑 性流动 结构达到极限状态后还可以继续承载 因此 提高撑杆结构的抗压强度对于保证撑杆甚 至整个平台的安全至关重要 2 不同初始缺陷对撑杆结构极限承载力的影响不同初始缺陷对撑杆结构极限承载力的影响 2 1 有限元模型有限元模型 本部分仍选取 1 2 中撑杆结构有限元模型 约束及载荷同 1 3 部分 为了分析初始缺陷对结 构极限承载力的影响 本部分选取 5 种不同初始缺陷放大系数 分别计算 5 种初始缺陷放大系数 下撑杆结构在横关 横开载荷模式下的极限承载力 初始缺陷放大系数分别为 0 1 0 05 0 01 0 005 0 001 2 2 计算计算结果结果及及分析分析 图 9 为不同载荷模式下结构极限承载力随初始缺陷变化关系曲线 计算得到的结构极限承载 力如表 1 所示 0 000 020 040 060 080 100 12 50 60 70 80 90 FL MN 横关载荷 横开载荷 图图 9 不同载荷模式下结构极限承载力随初始缺陷变化关系曲线不同载荷模式下结构极限承载力随初始缺陷变化关系曲线 012345 0 15 30 45 60 75 90 F MN d 10 2m FL 88 3MN 0102030 0 15 30 45 60 75 90 F MN d 10 2m FL 81 5MNM 2012 SIMULIA 中国区用户大会 5 表表 1 有限元计算结果比较有限元计算结果比较 缺陷放大系数缺陷放大系数 0 1 0 05 0 01 0 005 0 001 横关时极限承载力横关时极限承载力 MN 58 9 65 8 81 5 85 6 88 6 横开时极限承载力横开时极限承载力 MN 71 8 83 6 88 3 88 5 88 6 从以上结果中可以看出 初始缺陷对结构极限承载力的影响均较为明显 初始缺陷越大 结 构的初始挠度越大 极限承载力越小 对于横关载荷下 0 001 时 撑杆结构极限承载力为 88 6MN 而 0 1 时 极限承载力为 58 9MN 下降了 50 4 而横开载荷下 两者相差 23 4 这说明初始缺陷对横开载荷下的极限承载力计算结果影响较为显著 随缺陷放大系数的增大 两 种不同载荷模式下结构的极限承载力差别也越明显 在 0 001 和 0 005 横关与横开载荷模 式下结构极限承载力基本相当 而在 0 05 和 0 1 时 结构极限承载力相差 25 左右 且相 同初始缺陷条件下 横开载荷模式下结构的极限承载力始终大于横关载荷下的极限承载力 这与 两种不同载荷模式下结构的变形失效模式有关 横关载荷下结构受压力作用 失效模式表现为屈 曲 塑性变形 较易受初始扰动影响 而横开载荷模式下结构失效模式表现为屈服失效 受初始 扰动影响不大 这也说明在结构极限承载力计算时应根据结构的载荷模式选择合理的初始缺陷 以得到合理准确的计算结果 3 结论结论 通过分析水平横撑结构在横开 横关两种载荷模式下的极限承载力 结构的失效模式 以及 不同初始缺陷对撑杆极限承载力的影响 得到以下主要结论 1 横关载荷下结构的失效模式表现为屈曲 塑性变形 载荷位移曲线呈现出明显的峰值载 荷 结构达到极限状态后结构的承载能力显著下降 横开载荷模式下结构失效模式表现 为屈服失效 载荷位移曲线呈现出明显的塑性流动 结构达到极限状态后还可以继续承 载 2 不同的初始缺陷对结构的极限承载力产生了不同程度的影响 随着初始缺陷增加 结构 极限承载能力逐渐降低 且横关载荷模式下初始缺陷的影响更为显著 4 参考文献 参考文献 1 李陈峰 任慧龙 冯国庆等 外载荷作用下的船体梁极限弯矩 J 哈尔滨工程大学学报 2010 31 1 26 31 2 彭大炜 张世联 结构极限强度分析的三种有限元解法研究 J 中国海洋平台 2010 25 2 1 5 3 CALDWELL J B Ultimate longitudinal strength Trans RINA 1965 107 411 430 4 SMITH C S Influence of local failure on ultimate longitudinal strength o f a ship s hull Proc of International Symposium on Practical Design in Shipbuilding Tokyo Japan 1977 5 Jeom Kee Paik Bong Ju Kim Jung Kwan Seo Methods for ultimate limit state assessment of ships and ship shaped offshore structures ScienceDrect 2008 35 261 280 6 Jeom Kee Paik Anil Kumar Thayamballi Ultimate Limit State Design of Steel Plated Structures Chichester U K Wiley 2003 7 PAIK J K SEO J K Nonlinear finite element method models for ultimate strength analysis of steel stiffened plate structures under combined biaxial compression and lateral pressure actions part I plate elements J Thin Walled Structures 2008 1008 1017 2012 SIMULIA 中国区用户大会 6 8 PAIK J K SEO J K Nonlinear finite element method models for ultimate strength analysis of steel stiffened plat