利用ANSYS程序对导管架典型局部构造.docx
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利用ANSYS程序对导管架典型局部构造
利用ANSYS程序对导管架典型局部构造
1引言
导管架是海洋石油生产、生活设施主要支撑结构型式，其上端支撑着上部组块,下端直接插入海底土壤，承受着结构和设备自重、设备工作载荷以及波浪、流、风、冰、地震等环境载荷;另外还需考虑一定的活载荷，如施工设备、行人等。
导管架一般是由桩腿、拉筋等部件组成的空间框架结构。
桩腿及拉筋一般由钢管制成，故导管架中最典型的局部构造就是管结点。
另外，还有吊点和裙桩套筒也是导管架上重要的局部构造。
图1、图4、图7分别是管节点、吊点和裙桩套筒的典型模型。
这些典型局部构造的共同点是在一个局部区域有许多管与管、管与板或管与型钢相贯，空间结构复杂，靠人工对这些结构进行准确的分析计算相当困难，以前只能凭经验、查手册进行半经验、半解析的设计。
这种设计的成功率主要取决于设计者的经验，从而有可能疏漏了更好的设计方案。
近年来，计算机技术和有限元数值方法飞速发展，出现了一些比较强大的有限元分析软件，使对这些结构进行较为精确的分析成为可能。
ANSYS程序是这些软件中的矫矫者。
本文利用ANSYS程序对文昌13-1/13-2油田导管架吊点、东方1-1等导管架群装套筒进行了分析。
在此基础上总结出了一套适用于这些典型局部构造有限元分析的实施方法，并对这些结构的设计提出了相应的改进建议。
2基本原理
ANSYS程序中的结构静力分析，用来求解外载引起的位移、应力和力。
特别适用于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题。
其控制方程是：
{K}x{U}={F}
其中，{K}是结构刚度矩阵，{U}是位移向量，{F}是力向量。
3分析模型的建立
有限元分析基础是将物理模型准确地表达为数学模型。
模型应当包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及所有表现该物理系统的特征。
但是，我们讲的建模通常用单元和节点表示空间体域以及实际系统的连接过程。
有限元分析模型的建立一般有两步：
1.建立实体模型，2.对实体模型进行网格剖分，生成有限元模型。
当然，对于几何形状比较简单规则的模型也可以直接生成单元。
3.1实体模型的建立与简化
这些结构都是由薄壁钢管、钢板、型钢等构件焊接而成，多用坡口熔透焊。
根据这些的特点和ANSYS程序的功能，我们可以先分别创建组成各个构件的元素，然后根据需要对这些图素进行布尔运算，最终生成所需的模型。
但是，对焊缝的模拟将涉及对曲面倒角，如果是对柱面等曲面进行倒角将耗费大量机时，大大延长了建模过程。
限于计算机的容量及工期要求，必须对设计模型进行简化。
象焊缝、倒角以及那些仅对局部结果有影响的构造，根据圣维南原理对其他区域结果影响不大，可在宏观分析中忽略。
如果特别关心这些区域，可以将这些区域做宏观模型的子模型进行分析。
事实上，经过大量例题的印证，我们发现不模拟焊缝将在局部引起1.1~3倍的应力集中，而对宏观结果并无明显影响。
见图2~图3。
3.2单元选择与网格划分
单元的选择取决于所剖分实体的几何特征及行为特征。
根据构成这些模型的几何特征、行为特征及板壳理论（当结构的总体厚度相对于典型长度很小时可使用壳单元，长度比厚度大十倍以上的问题可决定使用壳单元）。
我们推荐使用壳单元来划分网格。
ANSYS中的壳单元根据要求解的问题类型采用不同的公式，三个基本的壳公式包括:
“薄膜理论“、“薄”壳理论和“厚”壳理论。
其中Shell41采用薄膜理论。
忽略弯曲和横向剪切，只包含薄膜效应；Shell63是“薄”壳单元，符合经典Love-Kirchhoff理论，包含弯曲和薄膜效应但忽略横向剪切变形；Shell43,143,181,91,93和99是“厚”壳单元，包含弯曲、薄膜和横向剪切效应，符合Reissner/Mindlin理论，横向剪切被表示为整个厚度上的常剪切应变,这种一阶近似只适用于“中等厚度”壳体。
对于我们的问题，我们推荐按以下原则选用单元：
如壳的厚度非常小采用Shell63，Shell63单元不包含横向剪切效应；如横向剪切变形重要，对于均匀材料采用Shell43,Shell93或Shell143；对于复合材料采用Shell91或Shell99；注意：
具有一致缩减积分（缺省）的单元Shell181对大模型的求解较快，但将需要较细的网格。
另外，单元的选择还与计算精度要求相关，计算精度要求较高应选用高阶单元；反之，选用低阶单元，即带中节点的单元。
对于我们的问题选用低阶单元即可。
网格划分是有限元分析的关键性工作之一，它直接影响问题的规模及求解的精度。
网格划分包括两项重要的工作，单元形状选择、单元大小控制。
对于平面问题，ANSYS程序提供三角形和四边形两种形状的单元。
选择何种形状的单元取决于结构的几何形状，计算精度要求以及描述该问题所必须的独立空间坐标的数目。
一般三角形单元比较适宜于模拟有曲线边界的物体或结构。
当结构外形比较规则时采用四边形单元比较合理。
四边形单元的是双线形单元，计算精度比三角形单元高。
在ANSYS中，单元大小控制有两个层次：
全局控制（GLOBE）、局部控制（LOCAL）。
就整体来说，单元的大小（即网格的疏密）要根据精度要求和计算机的速度及容量来决定。
一般来讲，单元越小，网格越密，计算结果越精确。
但是，单元越多，要求计算机容量也就越大。
因此，单元划分多少合适，一方面要考虑计算精度的要求；另一方面要根据计算机的条件，应在计算机的容量范围内来决定单元的大小和数量。
原则是，在保证必要的计算精度条件下，单元应尽量少些。
在单元的排列上（即局部控制），应根据计算者的实践经验对所计算的对象进行判断，在应力梯度变化大的部位，单元应取小些，网格也就划的密些。
反之，在应力梯度变化平缓的部位和不重要的部位，单元可取大些，网格也就稀一些。
例如，导管架上构件相连处，由于应力集中，应力梯度变化大，单元应取得很小，网格划得很密；应力变化平缓的构件本体上，单元应取得大些，就是这个原因。
在划分单元时还应考虑到，当计算对象的厚度或者弹性性质有突变之处，除了在这些部位单元应取小外，还应把突变线作为单元的边界线。
如果结构受有集度突变的分布荷载或集中荷载时，在这些部位的单元应当取小些，并且在载荷突变出处和集中力处应布置结点，以使应力的突变得到一定程度的反映。
另外，单元各边的比例不能相差太大。
计算实践表明，单元各边的比例相差太大是影响计算精度的一个重要因素，有时可能造成结果不收敛。
总之，把连续体进行有限单元离散而成的有限元模型，是综合运用工程判断力的过程，要决定单元的形状、大小（网格的疏密）、数目、单元的排列以及约束的设置等，其总的目标应使得原来的物体或结构尽可能地得到精确模拟。
这个过程进行的正确与否，是关系到整个计算的精确高低，应当特别加以注意。
4载荷、边界条件的简化
4.1分析流程
由于ANSYS程序是个通用程序，因而对环境载荷的模拟比较困难；而且，本文讨论的这些局部构造仅仅是整个导管架的一部分，与其相连的结构对它的约束即载荷及边界条件。
所以我们利用导管架分析专用程序SACS对导管架作整体分析，从中提出所取局部边界上的解，当作边界条件施加到打算用ANSYS分析的局部模型上去，由ANSYS程序进行局部模型的分析。
分析流程如下图：
用SACS对导管架进行整体分析
从SACS分析结果中提取处局部构造边界处的解
将边界处的解当成约束条件加到ANSYS模型上
求解并进行后处理
4.2载荷、边界条件简化
关于载荷、边界条件简化的一个总的原则是：
符合圣维南原理。
即简化边界不能对我们关心的区域的结果产生显著的影响。
在有限元分析工作中，正确施加载荷及边界条件是取得合理结果的关键之一。
理论上，这些局部构造承受的载荷是与相邻区域相互作用的所有内力，所以将所取截面上的轴力、弯矩等当成载荷加到所取截面上或将该截面在整体分析中产生的形变当成约束条件施加应当是最精确的办法。
然而，根据经验除轴力以外其他内力对分析结果影响较小可以忽略。
接下来的问题是SACS与ANSYS的接口问题。
由于SACS是一个杆系结构有限元分析程序，它的一个单元就是一根杆，只是在杆的两端面的截面形心上有两个节点，计算结果只在节点上有解；而在ANSYS模型中一个截面往往要被分成几分乃至几十分，所以我们面临的问题是如何把SACS中截面形心的解转化成ANSYS截面上节点的载荷。
通常有三种做法：
1.可以认为载荷均布在截面上；2.可在截面形心处建一节点，将截面上的节点一一用ANSYS的Link2单元与形心处节点连接起来，再将载荷加到形心节点上，文昌13-1/13-2油田的裙桩套筒分析就是采用的这种方法；3.可在截面形心处建一节点，利用ANSYS的耦合功能将截面上节点自由度与形心节点自由度耦合起来，再将载荷加到形心节点上，东方1-1油田裙桩套筒所做分析就是采用的这种方法。
1、2两种方法在杆件受弯的情况下不符合圣维南原理和平面假设，但我们的分析往往模型取得够大，且杆件截面力偶较小可以忽略，所以结果也是可以接受的。
方法3则完全符合圣维南原理和平面假设，我们推荐使用。
5实例
这些实例取第四强度理论应力，即Vonmise应力，Vonmises应力是正应力和剪切应力的组合，常用来描绘组合应力状态，计算应力不应超过0.9x345=311N/mm2，所取截面距离考察区域为3倍杆件直径。
5.1文昌13-1/13-2油田导管架吊点
Young’sMod=210,000N/mm2
Poisson’sratio=0.3
Density=7.850x10-9N-sec2/mm4
Yield=345N/mm2
计算的吊点所受载荷仅考虑吊装时的吊绳拉力，F=18210x1.05KN,与水平方向夹角为57°。
吊点局部模型边界条件为由SACS整体吊装分析计算得到的相应的节点的位移及转角（具体值见表1）。
加在所截面形心处的节点上，再把截面周边上各节点自由度与形心处节点自由度耦合。
表1
节点号
X向初位移
RX（mm）
Y向初位移
RY（mm）
Z向初位移
RZ（mm）
绕X轴初转角ROTX（rad）
绕Y轴初转角ROTY（rad）
绕Z轴初转角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
-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
本例模型如图4及图5所示，分析结果如图6所示。
5.2东方1-1油田导管架裙桩套筒
Young’sMod=210,000N/mm2
Poisson’sratio=0.3
Density=7.850x10-9N-sec2/mm4
Yield=345N/mm2
本例进行了应力集中系数（SCFs）及结构整体两种分析。
本例中，共对9根拉杆进行了27种工况的应力集中研究，每根拉杆三种工况，分别加载轴力、面内弯矩和面外弯矩。
这些力和弯矩量级如下：
轴向力：
1.0x106N
面内弯矩：
1.0x108N-mm
面外弯矩：
1.0x108N-mm
整体分析中没有考虑外加载荷。
本例套筒的自由度约束同上例，其余的约束边界条件为由SACS整体吊装分析计算得到的相应的节点的轴向力及弯矩（具体值见表2）。
加在所截面形心处的节点上，再利用ANSYS的耦合功能将截面上节点自由度与形心节点自由度耦合起来，再将载荷加到形心节点上。
表2
节点
序号
X轴向力
FX（KN）
Y轴向力
FY（KN）
Z轴向力
FZ（KN）
YOZ面内弯矩MX（KN*M）
XOZ面内弯矩MY（KN*M）
XOY面内弯矩MZ（KN*M）
1
-5422.9346
-28.6551
-58.1236
-21.8107
181.4311
228.6391
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
42.6081
-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
本例模型如图7所示。
在应力集中分析中，对每根拉杆进行了顶点（AX-CR）、鞍点（AX-SD）、面内弯矩（IN-PL）和面外弯矩的应力集中计算，结果如表3。
表3
应力集中系数
杆件
AX-CR
AX-SD
IN-PL
OU-PL
1152052
2054115
1152077
2064215
2152062
2087215
2152085
2152075
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
整体结构分析结果如图8及图9所示
5.3讨论
在仅施加轴力的ANSYS模型上，往往会有受力不平衡的现象，如果这种不平衡现象不是太大，可以通过微调ANSYS模型边界上的载荷或在水平和垂直方向加上一定系数的重力来平衡。
例一分别用三种单元进行了三次模拟计算。
三次都是定义了部分关键线的单元尺寸后，用ANSYS的SmartSizing功能进行智能网格划分。
第一次采用了SOLID45，这种单元有八个节点，每个节点有三个轴向移动自由度UX、UY、UZ。
共获得55,000多个单元，用PII266微机（64M内存）计算了接近4小时；第二次采用SHELL93单元，这种单元有八个节点，每个节点有六个自由度UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ。
共获得单元19,000多个，用PII266（64M内存）微机计算了2小时多，第三次采用SHELL63单元，这种单元有四个节点，每个节点有六个自由度UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ。
共获得单元23,000多个，用PII266微机计算了不到2小时。
经过对典型区域的分析结果比较，类似问题，用SHELL63单元模拟是合适的。
例二均采用SHELL63单元模拟，但是，例二各个面均由人工控制划分获得的网格基本上都是规则的四边形，分析结果较为理想。
6结论与建议
通过以上分析与实例的总结，我们就利用ANSYS对局部构造的有限元分析的载荷施加、模型建立及结果评价方面提出以下几点建议：
1.载荷施加：
通常我们仅需要加载实际载荷和从SACS中取得的杆件轴力，但对于引起显著不平衡的模型需要根据前文方法调整载荷或加上全部内力。
2.模型建立：
局部分析时，单元选择Shell63或Shell93即可，形状尽量采用四边形；关于网格控制，我们建议在圆管截面上，比较重要的杆件分成12~16份即可，其它杆件至多分成8份。
在杆件的圆柱面生成过程中尽量不采用蒙皮技术（Skin）。
3.结果评价：
有限元分析的结果是复杂的，需要综合运用物理学的一般原理及分析对象的基本行为加以判断。
具体来讲，需要确认施加在模型上的载荷环境是否合理；模型的运动行为与预期的相符-无刚体平动、无刚体转动、无裂缝等；确认位移和应力的分布预期望相符，或利用物理学和数学知识可以解释。
这样的结果才有可能是有效的，然后再根据相应的依据判断。
（注：
本文所举实例都得到了业主及第三方的认可。
）
图1典型管接点
图2不倒角应力分布
图3倒角应力分布
图4文昌13-1/13-2油田导管架吊点实体模型
图5文昌13-1/13-2油田导管架吊点有限元模型
图6文昌13-1/13-2油田导管架吊点计算结果
图7东方1-1油田导管架裙桩套筒有限元模型
图8东方1-1油田导管架裙桩套筒整体分析结果
图9东方1-1油田导管架裙桩套筒结果
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