海洋平台水平片吊装有限元分析 - 图文-

1、收稿日期2009 11 23 作者简介张齐凯(1976 ,男,1998年大学毕业,硕士生,助理工程师,现主要从事海洋石油平台设计研究工作。海洋平台水平片吊装有限元分析张齐凯,李依泽,刘 鹏,林延明,石 磊(海洋石油工程股份有限公司,天津300452翟晓鹏 (长江大学石油工程学院,湖北荆州434023摘要采用大型通用有限元计算软件AN SYS 对渤海某海洋平台水平片吊装进行了强度和位移计算,提出了计算过程中钢丝绳的模拟、边界条件的处理方法。应用表明,通过有限元软件进行海洋平台水平片吊装的强度和位移计算,为吊装作业提供了准确的数据支持,确保吊装作业的安全性。关键词海洋平台;水平片;吊装;有限元A

2、N SY S中图分类号T E951文献标识码A 文章编号1000 9752(201001 0378 03海洋平台属大型钢结构设施,其陆地建造采用分片分块预制然后组装成一个整体。吊装过程作为整个建造过程中必不可少的环节,其强度和变形计算将为平台建造组装提供可靠的安全保障。大型钢结构物吊装强度和变形的计算方法通常可分为两类:一类是基于连续化假定的计算方法,一类为基于离散化假定的计算方法,而后者通常指有限单元法计算方法,其计算分析需要借助计算机完成。随着计算机软硬件的迅速发展,各种数据的前后处理计算和数值分析方法也日趋成熟,因此有限元法成为吊装强度和位移计算的主要方法。1 吊装过程结构强度和位移有限

3、元计算基本理论1根据海洋平台水平片实际节点位置将各杆件离散成独立的梁单元。2通过单元分析,建立单元节点位移和节点力之间关系的单元刚度矩阵。3对整个水平片的每一个节点通过相邻单元的位移协调关系以及单元节点力和外荷载之间的平衡关系,建立水平片节点位移和节点荷载之间的基本方程式及水平片的总体刚度矩阵。有限元公式一般形式如下1:F=K u(其中,F 是荷载向量;K 是整体结构的刚度矩阵;u是节点位移向量。4通过引入边界条件修正总体刚度矩阵后,求解基本方程式得到结构各节点的位移。5最后根据求得的节点位移计算各单元的内力。2 工程实例2 1 工程概况渤海某平台甲板23m 标高处共有1#、2#两个水平片吊装

4、。水平片明细表如表1所示。表1 水平片明细表编号数量外型尺寸/m m 重量/t 吊装索具卡环钢丝绳1#128800 1650076 44 35t 64mm 16m 62#127680 26150161 86 35t;2 55t 64mm 16m 6; 85mm 16m 2378 石油天然气学报(江汉石油学院学报 2010年2月 第32卷 第1期Journal of Oil and Gas Technology (J JP I Feb2010 Vol 32 No 12 2 模型建立所有的梁、组合梁的A NSYS 模型采用beam 44单元、板的ANSYS 模型采用shell63单元2。材料具备以

5、下特性:杨氏模量E =2 06 1011N/m 2;泊松比 =0 3;密度DEN S =7850kg/m 3;H 梁屈服强度FY =0 235 109N/m 2;主梁屈服强度FY =0 355 109N/m 2。吊装条件下的安全因数取为1 05,水平片上所受重力加速度则为9 8 1 05=10 29m /s 2。建立有限元模型如图1、2 所示。图1 1#水平片ANSYS 模型 图2 2#水平片ANSYS 模型2 3 有限元分析中钢丝绳与边界条件的处理2 3 1 钢丝绳的处理由于在A NSYS 有限元模型中,无法做到同时正确模拟梁板结构和钢丝绳(包括吊点,因此,可以将钢丝绳用弹簧或LINK 单元

6、模拟。为了消除钢丝绳变形对甲板变形的影响,可将钢丝绳的刚度取为无限大(实际中取为一个大数。2 3 2 边界条件的处理1钢丝绳顶点全约束。2在甲板的四角需加弹簧约束,防止产生刚体移动或转动。可以通过查看约束点的支反力来检查是否产生了约束过强造成的结果不真实。3假定吊装是平稳过程,加速度很小可忽略不计,环境风速很小,吊装过程中结构处于静平衡状态,此时载荷只有结构的自重。由于实际结构中的一些零件不能在计算模型中全部体现,因此,模型的质量与实际结构的质量有差别。在计算自重载荷时,通过控制重力加速度的数值,使自重载荷与实际结构相同。2 4 分析结果对于吊点,应选取包含吊点在内的局部结构进行有限元分析。局

7、部结构范围的选取:吊点在腿柱上,取3倍的管径;吊点在甲板上,取3倍的梁高。分析结果如下:11#水平片有限元分析结果 1#水平片计算后的Von Mises 应力为0 793 108Pa (见图3,小于允许应力限制(FY =0 235 109N/m 2。最大位移大约为23mm (见图4。22#水平片有限元分析结果 2#水平片计算后的Von Mises 应力为0 461 108Pa (见图5,小于允许应力限制(FY =0 235 109N/m2。最大位移大约为11m m (见图6。3 结 语1ANSYS 计算结果表明,水平片吊装过程杆件产生的应力与位移均在允许范围内,实际吊装过379 第32卷第1期张齐凯等:海洋平台水平片吊装有限元分析 图3 1#水平片应力图 图4 1# 水平片位移图图5 2#水平片应力图 图6 2#水平片位移图程证明计算结果安全可靠。2模型中的钢丝绳与边界条件的处理方法保证了有限元分析结果的正确性。3使用有限元方法、借助计算机软硬件对结构吊装进行有限元分析能为吊装作业提供有力的安全保障。参考文献1S aeed M