利用ANSYS程序?qū)?dǎo)管架典型局部構(gòu)造

1、利用ANSYS程序?qū)?dǎo)管架典型局部構(gòu)造1 引言 導(dǎo)管架是海洋石油生產(chǎn)、生活設(shè)施主要支撐結(jié)構(gòu)型式，其上端支撐著上部組塊,下端直接插入海底土壤，承受著結(jié)構(gòu)和設(shè)備自重、設(shè)備工作載荷以及波浪、流、風(fēng)、冰、地震等環(huán)境載荷;另外還需考慮一定的活載荷，如施工設(shè)備、行人等。 導(dǎo)管架一般是由樁腿、拉筋等部件組成的空間框架結(jié)構(gòu)。樁腿及拉筋一般由鋼管制成，故導(dǎo)管架中最典型的局部構(gòu)造就是管結(jié)點(diǎn)。另外，還有吊點(diǎn)和裙樁套筒也是導(dǎo)管架上重要的局部構(gòu)造。圖1、圖4、圖7分別是管節(jié)點(diǎn)、吊點(diǎn)和裙樁套筒的典型模型。 這些典型局部構(gòu)造的共同點(diǎn)是在一個(gè)局部區(qū)域有許多管與管、管與板或管與型鋼相貫，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靠人工對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的

2、分析計(jì)算相當(dāng)困難，以前只能憑經(jīng)驗(yàn)、查手冊(cè)進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)、半解析的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的成功率主要取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，從而有可能疏漏了更好的設(shè)計(jì)方案。 近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元數(shù)值方法飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一些比較強(qiáng)大的有限元分析軟件，使對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為精確的分析成為可能。 ANSYS程序是這些軟件中的矯矯者。本文利用ANSYS程序?qū)ξ牟?3-1/13-2油田導(dǎo)管架吊點(diǎn)、東方1-1等導(dǎo)管架群裝套筒進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上總結(jié)出了一套適用于這些典型局部構(gòu)造有限元分析的實(shí)施方法，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。 2 基本原理 ANSYS程序中的結(jié)構(gòu)靜力分析，用來求解外載引起的位移、應(yīng)力和力。特別適用于求解

3、慣性及阻尼的時(shí)間相關(guān)作用對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響并不顯著的問題。其控制方程是： KxU=F 其中， K 是結(jié)構(gòu)剛度矩陣， U 是位移向量，F(xiàn)是力向量。 3 分析模型的建立 有限元分析基礎(chǔ)是將物理模型準(zhǔn)確地表達(dá)為數(shù)學(xué)模型。模型應(yīng)當(dāng)包括所有的節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件以及所有表現(xiàn)該物理系統(tǒng)的特征。但是，我們講的建模通常用單元和節(jié)點(diǎn)表示空間體域以及實(shí)際系統(tǒng)的連接過程。 有限元分析模型的建立一般有兩步：1.建立實(shí)體模型，2.對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，生成有限元模型。當(dāng)然，對(duì)于幾何形狀比較簡(jiǎn)單規(guī)則的模型也可以直接生成單元。 3.1 實(shí)體模型的建立與簡(jiǎn)化 這些結(jié)構(gòu)都是由薄壁鋼管、鋼板、型鋼等構(gòu)件焊接而成

4、，多用坡口熔透焊。根據(jù)這些的特點(diǎn)和ANSYS程序的功能，我們可以先分別創(chuàng)建組成各個(gè)構(gòu)件的元素，然后根據(jù)需要對(duì)這些圖素進(jìn)行布爾運(yùn)算，最終生成所需的模型。但是，對(duì)焊縫的模擬將涉及對(duì)曲面倒角，如果是對(duì)柱面等曲面進(jìn)行倒角將耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)，大大延長(zhǎng)了建模過程。限于計(jì)算機(jī)的容量及工期要求，必須對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。象焊縫、倒角以及那些僅對(duì)局部結(jié)果有影響的構(gòu)造，根據(jù)圣維南原理對(duì)其他區(qū)域結(jié)果影響不大，可在宏觀分析中忽略。如果特別關(guān)心這些區(qū)域，可以將這些區(qū)域做宏觀模型的子模型進(jìn)行分析。 事實(shí)上，經(jīng)過大量例題的印證，我們發(fā)現(xiàn)不模擬焊縫將在局部引起1.13倍的應(yīng)力集中，而對(duì)宏觀結(jié)果并無明顯影響。見圖2圖3。 3.2 單

5、元選擇與網(wǎng)格劃分 3.2.1 單元選擇 單元的選擇取決于所剖分實(shí)體的幾何特征及行為特征。根據(jù)構(gòu)成這些模型的幾何特征、行為特征及板殼理論（當(dāng)結(jié)構(gòu)的總體厚度相對(duì)于典型長(zhǎng)度很小時(shí)可使用殼單元，長(zhǎng)度比厚度大十倍以上的問題可決定使用殼單元）。我們推薦使用殼單元來劃分網(wǎng)格。 ANSYS 中的殼單元根據(jù)要求解的問題類型采用不同的公式，三個(gè)基本的殼公式包括: “薄膜理論“、“薄”殼理論和“厚”殼理論。其中Shell41 采用薄膜理論。忽略彎曲和橫向剪切，只包含薄膜效應(yīng)；Shell63 是“ 薄”殼單元，符合經(jīng)典 Love-Kirchhoff 理論， 包含彎曲和薄膜效應(yīng)但忽略橫向剪切變形；Shell43, 14

6、3, 181, 91, 93 和 99 是“ 厚”殼單元，包含彎曲、薄膜和橫向剪切效應(yīng)，符合Reissner/Mindlin 理論 ，橫向剪切被表示為整個(gè)厚度上的常剪切應(yīng)變,這種一階近似只適用于“ 中等厚度”殼體。 對(duì)于我們的問題，我們推薦按以下原則選用單元：如殼的厚度非常小采用 Shell63，Shell63單元不包含橫向剪切效應(yīng)；如橫向剪切變形重要，對(duì)于均勻材料采用 Shell43, Shell93或 Shell143 ；對(duì)于復(fù)合材料采用 Shell91 或 Shell99 ；注意：具有一致縮減積分(缺省)的單元 Shell181 對(duì)大模型的求解較快，但將需要較細(xì)的網(wǎng)格。 另外，單元的選擇

7、還與計(jì)算精度要求相關(guān)，計(jì)算精度要求較高應(yīng)選用高階單元；反之，選用低階單元，即帶中節(jié)點(diǎn)的單元。對(duì)于我們的問題選用低階單元即可。 3.2.2 格劃分 網(wǎng)格劃分是有限元分析的關(guān)鍵性工作之一，它直接影響問題的規(guī)模及求解的精度。網(wǎng)格劃分包括兩項(xiàng)重要的工作，單元形狀選擇、單元大小控制。 對(duì)于平面問題，ANSYS程序提供三角形和四邊形兩種形狀的單元。選擇何種形狀的單元取決于結(jié)構(gòu)的幾何形狀，計(jì)算精度要求以及描述該問題所必須的獨(dú)立空間坐標(biāo)的數(shù)目。一般三角形單元比較適宜于模擬有曲線邊界的物體或結(jié)構(gòu)。當(dāng)結(jié)構(gòu)外形比較規(guī)則時(shí)采用四邊形單元比較合理。四邊形單元的是雙線形單元，計(jì)算精度比三角形單元高。 在ANSYS中，單元

8、大小控制有兩個(gè)層次：全局控制（GLOBE）、局部控制（LOCAL）。 就整體來說，單元的大?。淳W(wǎng)格的疏密）要根據(jù)精度要求和計(jì)算機(jī)的速度及容量來決定。一般來講，單元越小，網(wǎng)格越密，計(jì)算結(jié)果越精確。但是，單元越多，要求計(jì)算機(jī)容量也就越大。因此，單元?jiǎng)澐侄嗌俸线m，一方面要考慮計(jì)算精度的要求；另一方面要根據(jù)計(jì)算機(jī)的條件，應(yīng)在計(jì)算機(jī)的容量范圍內(nèi)來決定單元的大小和數(shù)量。原則是，在保證必要的計(jì)算精度條件下，單元應(yīng)盡量少些。 在單元的排列上（即局部控制），應(yīng)根據(jù)計(jì)算者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)所計(jì)算的對(duì)象進(jìn)行判斷，在應(yīng)力梯度變化大的部位，單元應(yīng)取小些，網(wǎng)格也就劃的密些。反之，在應(yīng)力梯度變化平緩的部位和不重要的部位，單元可

9、取大些，網(wǎng)格也就稀一些。例如，導(dǎo)管架上構(gòu)件相連處，由于應(yīng)力集中，應(yīng)力梯度變化大，單元應(yīng)取得很小，網(wǎng)格劃得很密；應(yīng)力變化平緩的構(gòu)件本體上，單元應(yīng)取得大些，就是這個(gè)原因。 在劃分單元時(shí)還應(yīng)考慮到，當(dāng)計(jì)算對(duì)象的厚度或者彈性性質(zhì)有突變之處，除了在這些部位單元應(yīng)取小外，還應(yīng)把突變線作為單元的邊界線。如果結(jié)構(gòu)受有集度突變的分布荷載或集中荷載時(shí)，在這些部位的單元應(yīng)當(dāng)取小些，并且在載荷突變出處和集中力處應(yīng)布置結(jié)點(diǎn)，以使應(yīng)力的突變得到一定程度的反映。 另外，單元各邊的比例不能相差太大。計(jì)算實(shí)踐表明，單元各邊的比例相差太大是影響計(jì)算精度的一個(gè)重要因素，有時(shí)可能造成結(jié)果不收斂。 總之，把連續(xù)體進(jìn)行有限單元離散而成的

10、有限元模型，是綜合運(yùn)用工程判斷力的過程，要決定單元的形狀、大?。ňW(wǎng)格的疏密）、數(shù)目、單元的排列以及約束的設(shè)置等，其總的目標(biāo)應(yīng)使得原來的物體或結(jié)構(gòu)盡可能地得到精確模擬。這個(gè)過程進(jìn)行的正確與否，是關(guān)系到整個(gè)計(jì)算的精確高低，應(yīng)當(dāng)特別加以注意。 4 載荷、邊界條件的簡(jiǎn)化 4.1 分析流程 由于ANSYS程序是個(gè)通用程序，因而對(duì)環(huán)境載荷的模擬比較困難；而且，本文討論的這些局部構(gòu)造僅僅是整個(gè)導(dǎo)管架的一部分，與其相連的結(jié)構(gòu)對(duì)它的約束即載荷及邊界條件。所以我們利用導(dǎo)管架分析專用程序SACS對(duì)導(dǎo)管架作整體分析，從中提出所取局部邊界上的解，當(dāng)作邊界條件施加到打算用ANSYS分析的局部模型上去，由ANSYS程序進(jìn)行

11、局部模型的分析。分析流程如下圖： 用SACS 對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行整體分析 從SACS分析結(jié)果中提取處局部構(gòu)造邊界處的解 將邊界處的解當(dāng)成約束條件加到ANSYS模型上 求解并進(jìn)行后處理 4.2 載荷、邊界條件簡(jiǎn)化 關(guān)于載荷、邊界條件簡(jiǎn)化的一個(gè)總的原則是：符合圣維南原理。即簡(jiǎn)化邊界不能對(duì)我們關(guān)心的區(qū)域的結(jié)果產(chǎn)生顯著的影響。 在有限元分析工作中，正確施加載荷及邊界條件是取得合理結(jié)果的關(guān)鍵之一。理論上，這些局部構(gòu)造承受的載荷是與相鄰區(qū)域相互作用的所有內(nèi)力，所以將所取截面上的軸力、彎矩等當(dāng)成載荷加到所取截面上或?qū)⒃摻孛嬖谡w分析中產(chǎn)生的形變當(dāng)成約束條件施加應(yīng)當(dāng)是最精確的辦法。然而，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)除軸力以外其他內(nèi)力對(duì)

12、分析結(jié)果影響較小可以忽略。 接下來的問題是SACS與ANSYS的接口問題。由于SACS是一個(gè)桿系結(jié)構(gòu)有限元分析程序，它的一個(gè)單元就是一根桿，只是在桿的兩端面的截面形心上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果只在節(jié)點(diǎn)上有解；而在ANSYS模型中一個(gè)截面往往要被分成幾分乃至幾十分，所以我們面臨的問題是如何把SACS中截面形心的解轉(zhuǎn)化成ANSYS截面上節(jié)點(diǎn)的載荷。 通常有三種做法：1.可以認(rèn)為載荷均布在截面上；2.可在截面形心處建一節(jié)點(diǎn)，將截面上的節(jié)點(diǎn)一一用ANSYS的Link2單元與形心處節(jié)點(diǎn)連接起來，再將載荷加到形心節(jié)點(diǎn)上，文昌13-1/13-2油田的裙樁套筒分析就是采用的這種方法；3. 可在截面形心處建一節(jié)點(diǎn)，

13、利用ANSYS的耦合功能將截面上節(jié)點(diǎn)自由度與形心節(jié)點(diǎn)自由度耦合起來，再將載荷加到形心節(jié)點(diǎn)上，東方1-1油田裙樁套筒所做分析就是采用的這種方法。 1、2兩種方法在桿件受彎的情況下不符合圣維南原理和平面假設(shè)，但我們的分析往往模型取得夠大，且桿件截面力偶較小可以忽略，所以結(jié)果也是可以接受的。方法3則完全符合圣維南原理和平面假設(shè)，我們推薦使用。 5 實(shí)例 這些實(shí)例取第四強(qiáng)度理論應(yīng)力，即Von mise應(yīng)力，Von mises 應(yīng)力是正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的組合，常用來描繪組合應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算應(yīng)力不應(yīng)超過0.9 x 345 = 311 N/mm2，所取截面距離考察區(qū)域?yàn)?倍桿件直徑。 5.1 文昌13-1/13

14、-2油田導(dǎo)管架吊點(diǎn) 5.1.1 材料特性 Youngs Mod = 210,000 N/mm2 Poissons ratio = 0.3 Density = 7.850 x 10-9 N - sec2 / mm4 Yield = 345 N/mm2 5.1.2 載荷及邊界條件 計(jì)算的吊點(diǎn)所受載荷僅考慮吊裝時(shí)的吊繩拉力，F(xiàn)=18210 x 1.05KN,與水平方向夾角為57°。 吊點(diǎn)局部模型邊界條件為由SACS整體吊裝分析計(jì)算得到的相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的位移及轉(zhuǎn)角（具體值見表1）。加在所截面形心處的節(jié)點(diǎn)上，再把截面周邊上各節(jié)點(diǎn)自由度與形心處節(jié)點(diǎn)自由度耦合。 表1 節(jié)點(diǎn)號(hào) X向初位移 RX(mm)

15、 Y向初位移 RY(mm) Z向初位移 RZ(mm) 繞X軸初轉(zhuǎn)角ROTX(rad) 繞Y軸初轉(zhuǎn)角ROTY(rad) 繞Z軸初轉(zhuǎn)角ROTZ(rad) 1 -17.6849 -75.4519 10.52452 0.001389 0.000114 -0.00183 2 -22.8806 -81.5403 10.52331 -0.00088 0.00037 -0.00129 3 -20.7893 -78.1299 11.71039 -7.4e-05 0.000254 -0.00026 4 -15.8937 -84.994 7.083723 -0.00222 -0.00084 -0.00087 5 -

16、12.6158 -81.4822 7.067657 0.002033 -0.0012 -0.00324 6 -14.6813 -100.374 6.718308 -0.00622 -0.0004 -0.00618 7 -20.3252 -80.3044 12.00433 -0.00065 0.000117 -0.0005 8 -11.6432 -73.1947 7.994417 0.000441 -8.3e-05 -0.0024 9 -20.0726 -88.6683 7.165713 -0.00227 0.001388 -0.00246 5.1.3 模型及分析結(jié)果 本例模型如圖4及圖5所示，

17、分析結(jié)果如圖6所示。 5.2 東方1-1油田導(dǎo)管架裙樁套筒 5.2.1 材料特性 Youngs Mod = 210,000 N/mm2 Poissons ratio = 0.3 Density = 7.850 x 10-9 N - sec2 / mm4 Yield = 345 N/mm2 5.2.2 分析內(nèi)容、載荷及邊界條件 本例進(jìn)行了應(yīng)力集中系數(shù)（SCFs）及結(jié)構(gòu)整體兩種分析。 本例中，共對(duì)9根拉桿進(jìn)行了27種工況的應(yīng)力集中研究，每根拉桿三種工況，分別加載軸力、面內(nèi)彎矩和面外彎矩。這些力和彎矩量級(jí)如下： 軸向力 ： 1.0 x 106 N 面內(nèi)彎矩： 1.0 x 108 N-mm 面外彎矩：

18、 1.0 x 108 N-mm 整體分析中沒有考慮外加載荷。本例套筒的自由度約束同上例，其余的約束邊界條件為由SACS整體吊裝分析計(jì)算得到的相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的軸向力及彎矩（具體值見表2）。加在所截面形心處的節(jié)點(diǎn)上，再利用ANSYS的耦合功能將截面上節(jié)點(diǎn)自由度與形心節(jié)點(diǎn)自由度耦合起來，再將載荷加到形心節(jié)點(diǎn)上。 表2 節(jié)點(diǎn) 序號(hào) X軸向力 FX（KN） Y軸向力 FY（KN） Z軸向力 FZ（KN） YOZ面內(nèi)彎矩MX（KN*M） XOZ面內(nèi)彎矩MY（KN*M） XOY面內(nèi)彎矩MZ（KN*M） 1 -5422.9346 -28.6551 -58.1236 -21.8107 181.4311 228.63

19、91 2 -5238.0942 10.1563 19.0057 -13.6721 -99.5368 -20.9643 3 2737.6357 -10.7810 7.0459 1.0793 22.0908 -48.4840 4 2266.9004 10.6755 -4.2707 5.1448 -31.6493 19.9178 5 4996.6421 7.0258 -38.8510 37.1349 29.2634 43.2631 6 -10250.9756 187.1091 62.3611 -367.3454 -469.0988 -1573.7692 7 5618.4912 100.1030 42

20、.6081 -60.8227 -337.1997 -961.7615 8 616.9704 99.3711 -88.9753 232.7546 -492.1991 825.9137 9 -30692.4023 -137.7730 -130.9340 136.4963 1639.6245 1052.4204 5.2.3模型、分析結(jié)果 本例模型如圖7所示。在應(yīng)力集中分析中，對(duì)每根拉桿進(jìn)行了頂點(diǎn)（AX-CR）、鞍點(diǎn)（AX-SD）、面內(nèi)彎矩（IN-PL）和面外彎矩的應(yīng)力集中計(jì)算，結(jié)果如表3。 表3 應(yīng)力集中系數(shù) 桿件 AX-CR AX-SD IN-PL OU-PL 115 2052 2054 115

21、115 2077 2064 215 215 2062 2087 215 215 2085 215 2075 1.11 1.06 1.31 6.99 2.75 1.33 1.33 1.32 3.08 4.48 2.74 5.91 2.13 2.80 2.67 3.33 1.15 1.84 1.94 2.29 1.11 1.38 1.49 3.32 1.62 1.01 1.85 1.19 2.42 1.60 1.28 1.94 整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖8及圖9所示 5.3 討論 在僅施加軸力的ANSYS模型上，往往會(huì)有受力不平衡的現(xiàn)象，如果這種不平衡現(xiàn)象不是太大，可以通過微調(diào)ANSYS模型邊界上的載荷

22、或在水平和垂直方向加上一定系數(shù)的重力來平衡。 例一分別用三種單元進(jìn)行了三次模擬計(jì)算。三次都是定義了部分關(guān)鍵線的單元尺寸后，用ANSYS的SmartSizing功能進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。第一次采用了SOLID45，這種單元有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)軸向移動(dòng)自由度UX、UY、UZ。共獲得55,000多個(gè)單元，用PII266微機(jī)（64M內(nèi)存）計(jì)算了接近4小時(shí)；第二次采用SHELL93單元，這種單元有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ。共獲得單元19,000多個(gè)，用PII266（64M內(nèi)存）微機(jī)計(jì)算了2小時(shí)多，第三次采用SHELL63單元，這種單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ。共獲得單元23,000多個(gè)，用PII