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石油工程建设
2011年2月
海洋平台管节点极限强度分析方法研究
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赵开龙1,知成名2,魄志广1
(1.中国石油集团工程技术研究院,天津300451;2.中国船级社海工技术中心,北京10000
摘要:管节点作为海洋平台结构中十分重要且薄弱的环节,其极限强度分析是海洋平台安全评估
的重要内容,也是一项十分复杂的工作,选择正确的方法和分析手段是得到准确分析结果的前提。
文章应用MSC. PATRAN软件建立平台管节点分析的有眼元模型,分别使用局部模型法和嵌入式模型
法对管节点进行分析,对比其计算结果,认为采用嵌入式模型法更为精确。
关键词:管节点;极限强度;局部模型法;嵌入式模型法
中图分类号:TE54TE951文献标识码:A文章编号:1001-2206(2011)01-0012-04
0引言
节点。根据ABS规范,规定如下
管节点是海洋平台中一个十分重要且薄弱的环
T≤1.20
节,对其强度进行合理、有效的评估是十分必要的。
0.20≤B≤1.,0
管节点强度分析是一项十分复杂的工作,选择
10≤y≤50
正确的方法和分析手段是得到准确分析结果的前
0.5≤g/D
提。管节点的分析方法很多,可分为试验统计法、且有r=t/T;B=dD;y=D(27)
薄壳理论法、简化分析法(包括截面法、环模型式中g一间隙/mm;
法、冲剪应力法、有效宽度法、塑性铰线法、弦杆
D一弦管直径/mm;
壁承压模型法、弦杄受剪模型法等)、有限元法及
t一-撑管壁厚/mm;
半解析数值法等。目前广泛采用的是有限元方法,
T一弦管壁厚/mm;
采用这种方法时,准确建立平台管节点分析有限元
d撑管直径/mm。
模型是得到精确分析结果的前提。本文利用有限元
由此可知,对管节点的判定实际上就是判定节
软件MSC. PATRAN建立平台管节点分析有限元模点处的几何参数,满足公式(1)要求的可以确定
型,其分析方法分为两种:一种是局部模型法,此为管节点。
方法比较常用,是一种传统的管节点分析方法;另1.2管节点极限强度评估适用的載荷情况
种是嵌人式模型法,即将管节点结构用板壳单元
在实际操作中,管节点结构会承受各种不同的
模拟并嵌入整体模型中。本文分别采用这两种方法载荷形式。按照ABS规范中的规定,管节点极限
对某一平台上的特殊管节点进行强度计算,通过对强度评估对下列载荷情况适用:撑管受轴向载荷作
比其计算结果,认为采用嵌人式模型法对管节点进用;撑管受面内弯矩作用;撑管受面外弯矩作用;
行强度分析更为合理。
弦管受轴向载荷作用;弦管受面内弯矩作用;弦管
1管节点判定准则
受面外弯矩作用;上述各种载荷的组合。
1.1管节点判定准则
1.3管节点破坏形式
海洋平台中存在大量圆管与圆管相交的部位,
管节点的破坏形式是依据管节点的构造形式、
但并不是所有这些部位都能成为有关规范中规定的几何形式和承载情况而定的(见图1),规范中给
管节点,所以在进行管节点极限强度评估之前,必出的破坏形式有
须根据相应的规范要求,准确地确定哪些节点是管
(1)弦管局部失效:包括撑管附近弦管管壁塑
第37卷第1期
赵开龙等:海洋平台管节点极限强度分析方法研究
性失效;撑管由焊缝处与弦管断裂;弦管局部皱褶。立管节点局部模型。撑管和弦管单元采用板单元模
(2)弦管整体失效:包括弦管截面整体变形;拟,施加边界条件和载荷,在两端采用MPC(多
弦管弯曲失效;近撑管冋弦管剪切失效。
点约束)进行模拟,重新计算得到管节点局部的结
构受力,如图2所示。
2.2嵌入式模型法
嵌人式模型法,是指直接将管节点的撑管和弦
管结构采用壳单元进行模拟并嵌入到平台的整体模
型中,通过对整体模型在各种作业工况下的强度计
(a)撑管被拉断
(b)焊缝处被拉断
算,直接提取管节点上各单元的受力。该方法充分
考虑了整体模型对管节点的影响,不需要二次建模
及简化分析,避免了二次分析时,因边界条件和计
算载荷的简化及近似处理对计算结果产生的误差。
管壁皱折
该方法的计算结果较为接近管节点结构中各部位的
(c)弦管局部皱褶
(d)层状撕裂
实际受力情况。
裂纹
e)塑性变形
(f)局部失稳
图1管节点破坏形式
管节点分析方法
注:1,2为管节点编号
2.1局部模型法
图2管节点局部模型
局部模型法首先要建立平台的整体模型。在整3管节点极限强度校核
体模型中,管节点的弦管和撑管用梁单元模拟。从3.1模型参数
整体结构计算结果中提取管节点端部位移,作为局
本文选取某半潜式平台中的一处典型管节点作
部模型分析的边界条件;然后进行二次建模,即建为研究对象,其具体参数见表1。
表1管节点几何参数
管节点编号
T/mm
d
38.0
1219.2
m
.0
24.0
37.6
38.0
914.4
1828.6
0.99
24.0
3.2计算结果
要有以下几点:
本文分别采用局部模型法、嵌入式模型法两
(1)局部模型方法中,整体模型采用梁单元模
种方法对该管节点在平台处于中垂、中拱的两种拟弦管和撑管,不能直接模拟管材各点受力情况。
典型工况(分别称为第一、第二工况)下的受力
(2)局部模型方法中,边界条件是由其整体模
进行计算,并对计算结果进行分析。图3~4为两型中得到的,将这些边界条件施加到局部模型时必
种方法计算得到的应力云纹图,图5给出了Mies定带来一定的误差。
应力结果对比。
(3)局部模型在考虑外界载荷时,只能利用整
3.3结果分析
体模型中梁单元的受力、位移等数值进行处理得
由计算结果(见表2)可以看出,炳种方法得到,无法充分考虑整体结构对局部的影响。
到的计算结果存在着一定的差异,究其原因,主
而嵌入式模型法避免了二次分析时,因边界条