2018, Vol. 38引用本文 |
| 海洋平台Y型管节点静力强度研究 |  [PDF全文] |
在浅海油气的开发活动中，导管架平台占主要地位。导管架平台是由钢制圆管构件焊接而成的三维空间框架结构。若干圆管构件交汇的节点简称为管节点。管节点的主要作用是承受载荷，但由于管节点在各圆管相贯位置处应力状态较复杂，容易产生严重的应力集中现象，导致裂纹出现，并可能进一步扩展引起结构失效[1]，发生严重的事故。因此，管节点的设计除了要满足平台结构总体受力强度外，还要满足交汇于管节点的各构件的局部强度，包括构造强度、静力强度和疲劳强度[2]，以保障平台安全服役。
管节点根据受力方式可以分为Y型、K型、T型、X型和交叉型等多种形式。在各种形式管节点中，直径较大的管称为弦杆（chord），直径较小的管称为撑杆（brace）。截断的撑管直接焊接到完整的弦管外表面上[3]。通过有限元法，选取Y型管节点为研究对象（图 1），运用有限元软件ABAQUS建立某海洋平台Y型管节点的结构模型，研究分析Y型管节点在承受轴向力﹑平面内弯矩和平面外弯矩三种荷载工况下的撑杆和弦杆相贯区域处的应力变化和变形情况。最后通过一系列计算模型，研究出Y型管节点强度与变形随弦杆壁厚变化的规律，即最大应力和最大变形量随着壁厚的增加而减小。
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| 图 1 海洋平台Y型管节点模型示意图 |
1 有限元模型 1.1 几何模型
采用ABAQUS壳单元建立某海洋平台某Y型管节点有限元模型（图 2），模型尺寸为：弦杆为914 mm×20 mm，撑杆为610 mm×20 mm。材料特性：杨氏模量E=2.0×104 kN/cm2；泊松比μ=0.3；屈服强度Fy =355 MPa；密度ρ=7.85×103 kg/m3。
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| 图 2 某海洋平台某Y型管节点有限元模型 |
1.2 网格划分
由于弦管和撑管的相贯区域曲率不连续，应力变化迅速，容易产生应力集中。因此在弦管和撑管的相贯区域采用局部种子为0.02，以获得该区域更规整更精细的网格（图 3、图 4），分别显示该Y型管节点整体网格和相贯区域的局部网格划分情况。采用ABAQUS单元库中的S4R标准单元，网格总体种子为0.1，模型总共有22 379个单元。
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| 图 3 某海洋平台某Y型管节点完整网格模型 |
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| 图 4 某海洋平台某Y型管节点相贯区域局部网格模型 |
1.3 边界条件
弦杆两端进行6个自由度全约束。
1.4 加载方式根据前人研究，Y型管节点在撑管上主要有三种受力方式[4]：轴向拉伸（axial loading）、平面内弯曲（in-plane bending，IPB）和平面外弯曲（outplane bending，OPB）（图 5）。
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| 图 5 某海洋平台某Y型管节点受力示意图 |
2 计算分析
改变某海洋平台某Y型管节点的载荷大小，通过一系列的计算模型，研究分析该节点的静力强度变化情况，得到该Y型管节点在发生屈服时所承受的轴向拉伸载荷为1 430 kN，平面内弯曲和平面外弯曲时弯矩载荷分别为37.28 kN · m和17.69 kN · m。
2.1 轴向载荷下应力分析从某海洋平台某Y型管节点受轴向载荷作用时的变形图（图 6）和应力云图（图 7）可以看出，该Y型管节点在承受轴向拉力的作用下，撑管沿着轴线被拉伸，在鞍点位置附近处变形较大，最大应力出现在鞍点附近，冠趾、冠根处的应力较小。
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| 图 6 某海洋平台某Y型管节点受轴向载荷作用时变形图 |
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| 图 7 某海洋平台某Y型管节点受轴向载荷作用时应力云图 |
2.2 平面内弯曲载荷下应力分析
从某海洋平台某Y型管节点受平面内弯曲载荷作用时的变形图（图 8）和应力云图（图 9）可以看出，Y型管节点在平面内弯曲载荷作用下，撑管将沿着弯矩的方向发生弯曲，最大应力出现在冠根和冠趾附近。
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| 图 8 某海洋平台某Y型管节点受平面内弯曲载荷作用时变形图 |
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| 图 9 某海洋平台某Y型管节点受平面内弯曲载荷作用时应力云图 |
2.3 平面外弯曲载荷下应力分析
从某海洋平台某Y型管节点受平面外弯曲载荷作用时的变形图（图 10）和应力云图（图 11）可以看出，Y型管节点在平面外弯曲载荷作用下，撑管将沿着弯矩的方向发生弯曲，最大应力出现在撑管的鞍点附近，冠根和冠趾处应力不大。
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| 图 10 某海洋平台某Y型管节点受平面外弯曲载荷作用时变形图 |
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| 图 11 某海洋平台某Y型管节点受平面外弯曲载荷作用时应力云图 |
3 结果与讨论
通过弦杆壁厚分别改变为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm和60 mm，建立一系列的计算模型，得到Y型管节点在不同壁厚时承受轴向拉伸、平面内弯曲和平面外弯曲载荷时的静力强度变化规律。
3.1 轴向载荷下应力分析从表 1、图 12和图 13中可以看出，Y型管节点在承受轴向载荷作用时，当厚度从20 mm增加到30 mm时，最大应力和最大变形急剧降低；当厚度从40 mm增加到60 mm时，最大应力和最大变形变化较小。
| 表 1 不同壁厚弦杆的最大应力和最大变形量随不同轴向载荷变化表 |
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| 图 12 不同壁厚弦杆的最大应力随不同轴向载荷变化图 |
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| 图 13 不同壁厚弦杆的最大变形量随不同轴向载荷变化图 |
3.2 平面内弯曲载荷下应力分析
从表 2、图 14和图 15中可以看出，Y型管节点受平面内弯曲载荷作用时，当厚度从20 mm增加到30 mm时，最大应力和最大变形明显减小；当厚度从50 mm增加到60 mm时，最大应力和最大变形变化较小。
| 表 2 不同壁厚弦杆的最大应力和最大变形量随不同内弯曲载荷变化表 |
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| 图 14 不同壁厚的弦杆的最大应力随不同内弯曲载荷变化图 |
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| 图 15 不同壁厚的弦杆的最大变形量随不同内弯曲载荷变化图 |
3.3 平面外弯曲载荷下应力分析
从表 3、图 16和图 17中可以看出，Y型管节点受平面外弯曲载荷作用时，当厚度从20 mm增加到30 mm时，最大应力和最大变形明显降低；当厚度从40 mm增加到60 mm时，最大应力和最大变形变化较小。
| 表 3 不同壁厚的弦杆的最大应力和最大变形量随不同外弯曲载荷变化表 |
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| 图 16 不同壁厚的弦杆的最大应力随不同外弯曲载荷变化图 |
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| 图 17 不同壁厚的弦杆的最大变形量随不同外弯曲载荷变化图 |
4 结论
研究以某海洋平台某Y型管节点为研究对象，采用有限元法，利用ABAQUS软件建立该Y型管节点有限元模型，并分别对该Y型管节点在承受轴向力﹑平面内弯矩和平面外弯矩三种荷载工况下的撑杆和弦杆相贯区域处的应力变化和变形情况进行了分析研究，得出结论如下：
（1）Y型管节点在承受轴向拉力和平面外弯曲载荷作用下，最大应力出现在鞍点位置附近；Y型管节点在平面内弯曲载荷作用下，最大应力出现在冠根和冠趾附近。
（2）Y型管节点发生强度失效时，所承受的平面内弯曲载荷约为平面外弯曲载荷的2倍。
（3）Y型管节点在承受同一载荷作用时，最大应力和最大变形随着弦杆壁厚的增加而减小。
（4）Y型管节点在承受轴向载荷、平面内弯曲和平面外弯曲载荷作用时，最大应力和最大变形量随着弦杆壁厚的增加而减小。
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姜萌. 近海工程结构物-导管架平台[M]. 大连: 大连理工大学出版社, 2009: 180-190.
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| [2] |
龚顺风. 海洋平台结构碰撞损伤及可靠性与疲劳寿命评估研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2003, 33-36.
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| [3] |
宋杨, 刘微, 程哲, 等. 海洋平台T型管节点应力集中系数研究[J]. 船海工程, 2011, 40(6): 121-124. |
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宋杨, 程哲, 张正艺, 等. 海洋平台X型管节点应力集中系数计算[J]. 固体力学学报, 2010, 31(S1): 238-241. |