海洋平台管节点极限强度分析方法研究

赵开龙，刘成名，姚志广

（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，北京100007）

海洋平台管节点极限强度分析方法研究

赵开龙1，刘成名2，姚志广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，北京100007）

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限元模型，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。

管节点；极限强度；局部模型法；嵌入式模型法

0 引言

管节点是海洋平台中一个十分重要且薄弱的环节，对其强度进行合理、有效的评估是十分必要的。

管节点强度分析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。管节点的分析方法很多，可分为试验统计法、薄壳理论法、简化分析法（包括截面法、环模型法、冲剪应力法、有效宽度法、塑性铰线法、弦杆壁承压模型法、弦杆受剪模型法等）、有限元法及半解析数值法等。目前广泛采用的是有限元方法，采用这种方法时，准确建立平台管节点分析有限元模型是得到精确分析结果的前提。本文利用有限元软件MSC.PATRAN建立平台管节点分析有限元模型，其分析方法分为两种：一种是局部模型法，此方法比较常用，是一种传统的管节点分析方法；另一种是嵌入式模型法，即将管节点结构用板壳单元模拟并嵌入整体模型中。本文分别采用这两种方法对某一平台上的特殊管节点进行强度计算，通过对比其计算结果，认为采用嵌入式模型法对管节点进行强度分析更为合理。

1 管节点判定准则

1.1 管节点判定准则

海洋平台中存在大量圆管与圆管相交的部位，但并不是所有这些部位都能成为有关规范中规定的管节点，所以在进行管节点极限强度评估之前，必须根据相应的规范要求，准确地确定哪些节点是管节点。根据ABS规范，规定如下：

且有τ=t/T；β=d/D；γ=D/（2T）式中g——间隙/mm；

D——弦管直径/mm；

t——撑管壁厚/mm；

T——弦管壁厚/mm；

d——撑管直径/mm。

由此可知，对管节点的判定实际上就是判定节点处的几何参数，满足公式（1）要求的可以确定为管节点。

1.2 管节点极限强度评估适用的载荷情况

在实际操作中，管节点结构会承受各种不同的载荷形式。按照ABS规范中的规定，管节点极限强度评估对下列载荷情况适用：撑管受轴向载荷作用；撑管受面内弯矩作用；撑管受面外弯矩作用；弦管受轴向载荷作用；弦管受面内弯矩作用；弦管受面外弯矩作用；上述各种载荷的组合。

1.3 管节点破坏形式

管节点的破坏形式是依据管节点的构造形式、几何形式和承载情况而定的（见图1），规范中给出的破坏形式有：

（1） 弦管局部失效：包括撑管附近弦管管壁塑性失效；撑管由焊缝处与弦管断裂；弦管局部皱褶。

（2） 弦管整体失效：包括弦管截面整体变形；弦管弯曲失效；近撑管间弦管剪切失效。

图1 管节点破坏形式

2 管节点分析方法

2.1 局部模型法

局部模型法首先要建立平台的整体模型。在整体模型中，管节点的弦管和撑管用梁单元模拟。从整体结构计算结果中提取管节点端部位移，作为局部模型分析的边界条件；然后进行二次建模，即建立管节点局部模型。撑管和弦管单元采用板单元模拟，施加边界条件和载荷，在两端采用MPC（多点约束）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

嵌入式模型法，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。该方法的计算结果较为接近管节点结构中各部位的实际受力情况。

图2 管节点局部模型

3 管节点极限强度校核

3.1 模型参数

本文选取某半潜式平台中的一处典型管节点作为研究对象，其具体参数见表1。

表1 管节点几何参数

3.2 计算结果

本文分别采用局部模型法、嵌入式模型法两种方法对该管节点在平台处于中垂、中拱的两种典型工况（分别称为第一、第二工况）下的受力进行计算，并对计算结果进行分析。图3～4为两种方法计算得到的应力云纹图，图5给出了Mises应力结果对比。

3.3 结果分析

由计算结果（见表2）可以看出，两种方法得到的计算结果存在着一定的差异，究其原因，主要有以下几点：

（1） 局部模型方法中，整体模型采用梁单元模拟弦管和撑管，不能直接模拟管材各点受力情况。

（2） 局部模型方法中，边界条件是由其整体模型中得到的，将这些边界条件施加到局部模型时必定带来一定的误差。

（3） 局部模型在考虑外界载荷时，只能利用整体模型中梁单元的受力、位移等数值进行处理得到，无法充分考虑整体结构对局部的影响。

图4 第二工况应力云纹图/MPa

图5 Mises应力结果对比

表2 两种工况采用两种方法的计算结果（Mises应力/MPa）

而嵌入式模型法避免了二次分析时，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，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。因此，嵌入式模型法的计算结果比局部模型法更接近管节点构件的实际受力情况。

4 结论

从计算结果可以看出，采用嵌入式模型法得到的结果偏于安全。此方法直接将管节点用壳单元在整体模型中进行模拟，充分考虑了整体结构对管节点局部的影响，排除了局部模型法中简化处理对结果造成的影响，故其计算结果更为精确，更能直接反映管节点的实际受力情况，所以本文推荐采用嵌入式模型法对管节点的强度进行分析。

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Abstract：Tubular joint is a kind of very important and weak link of offshore platform structure.Its ultimate strength analysis is significant to the safety assessment of offshore platform and is a very complex task.So choosing the right methods and means is the precondition to get accurate results.In this paper,the software MSC.PATRAN is applied to establish the accurate finite element model of tubular joint analysis and the model is solved with the local model and the embedded model approaches respectively.By comparing the calculated results,it is shown that the result obtained from the embedded model approach is more accurate.

Key words:tubular joint;ultimate strength;local model method;embedded model method

（12）Ultimate Strength Analysis Method for Tubular Joints of Offshore Platform

ZHAO Kai-long（CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451,China）,LIU Cheng-ming，YAO Zhi-guang

TE54 TE951

A

1001－2206（2011）01－0012－04

赵开龙（1983-），男，山东德州人，工程师，2009年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，硕士，现从事结构分析工作。

2010-08-16；

2010-11-04