基于ANSYS軟件的海上升壓站上部組塊吊耳的有限元分析

吳子昂，張曉蕊

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，上海 200335)

伴隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，海上風(fēng)電單機(jī)容量越來(lái)越大型化，為了應(yīng)對(duì)海上風(fēng)機(jī)的“大兆瓦”時(shí)代，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)配套的海上升壓站規(guī)模也越做越大。上部平臺(tái)總重由3 000 t逐步向4 000 t乃至5 000 t發(fā)展，海上升壓站的尺寸和質(zhì)量的不斷增長(zhǎng)對(duì)海上吊裝提出了更高的要求。而吊耳的設(shè)計(jì)強(qiáng)度如果不符合要求，將會(huì)為整個(gè)吊裝施工過(guò)程帶來(lái)巨大的隱患，因此吊耳的強(qiáng)度校核是一項(xiàng)極為重要的任務(wù)。

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，有限元分析在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用愈加廣泛。張系斌[1]運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)吊耳的應(yīng)力進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的校核方法；肖文勇[2]提出了吊耳有限元計(jì)算中插銷與吊耳板接觸計(jì)算的簡(jiǎn)易算法，進(jìn)行了誤差分析，可行性分析。贠亞杰[3]等通過(guò)有限元計(jì)算在不改變吊耳與其他構(gòu)件之間裝配尺寸的前提下針對(duì)吊耳板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。徐月忠[4]通過(guò)使用理論計(jì)算與有限元模擬，對(duì)比研究了吊耳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為實(shí)際應(yīng)用提出了參考。于萬(wàn)明[5]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)吊耳的設(shè)計(jì)優(yōu)化提出了建議。

本文以某海上升壓站上部平臺(tái)吊耳為例，從傳統(tǒng)角度出發(fā)介紹了吊耳強(qiáng)度的計(jì)算過(guò)程，對(duì)比分析了理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果，探究了升壓站吊耳放置角度對(duì)連接處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，為吊耳在海上升壓站結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

1 吊耳的理論計(jì)算方法

海上升壓站上部組塊通常采用框架-支撐體系(主要有梁、柱、斜撐、甲板、艙壁等)，一般通過(guò)4根主立柱與鋼管樁連接傳遞上部荷載，因此上部組塊通常布置4個(gè)吊耳，吊耳一般焊接在主立柱上。吊耳的理論計(jì)算主要在于兩個(gè)方面：吊耳危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度校核，吊耳板與吊耳加強(qiáng)板之間的焊縫強(qiáng)度校核。

1)計(jì)算吊耳孔強(qiáng)度時(shí)通常使用式(1)來(lái)校核軸向應(yīng)力：

(1)

式中：PV為吊耳平面內(nèi)豎向荷載；η為動(dòng)力放大系數(shù)；W為上部組塊總重；q為吊耳數(shù)量；T為吊耳總板厚(包括吊耳板厚，吊耳加強(qiáng)板厚)；Rx為卸扣半徑；Fp為許用軸向應(yīng)力；Fy為材料的屈服強(qiáng)度。

2)計(jì)算吊耳孔強(qiáng)度時(shí)通常使用式(2)來(lái)校核剪切應(yīng)力：

(2)

式中：PV為吊耳平面內(nèi)豎向荷載；n為吊耳板及吊耳加強(qiáng)板總數(shù)量；Ri為吊耳板或吊耳加強(qiáng)板對(duì)應(yīng)半徑；Rk為吊耳孔半徑；ti為吊耳板或吊耳加強(qiáng)板對(duì)應(yīng)板厚；FV為許用剪切應(yīng)力。

2 吊耳的有限元計(jì)算

2.1 有限元模型

以某海上升壓站上部組塊吊耳為例，通過(guò)ANSYS建立吊耳、上部組塊主柱及相連工字鋼模型。有限元模型采用面單元(SHELL63)，吊耳每側(cè)有2塊吊耳加強(qiáng)板，吊耳板及吊耳加強(qiáng)板板厚為60～90 mm，加勁環(huán)板板厚為50 mm，立柱直徑為1 500 mm，長(zhǎng)度15 m。結(jié)構(gòu)材料選用DH36-Z35和DH36，屈服強(qiáng)度為355 MPa，材料密度為ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量為E=2.06×103Pa，泊松比ν=0.3。計(jì)算分析采用的長(zhǎng)度單位為m，力的單位為N，應(yīng)力單位為Pa。有限元模型如圖1、圖2所示。

圖2 吊耳局部有限元模型圖

圖1 整體有限元模型圖

本文與其余研究差異之處在于：這里并非只建立了吊耳模型，同時(shí)也建立了與吊耳相連的立柱和梁的有限元模型。一方面是考慮到單純的固支與吊耳板相連的底板進(jìn)行受力分析并不能精確模擬施工工程中吊耳的受力情況，在進(jìn)行吊耳強(qiáng)度分析時(shí)，不宜只考慮吊耳板及吊耳加強(qiáng)板的受力，還要進(jìn)行與吊耳相連結(jié)構(gòu)的受力分析；另一方面由于升壓站上部組塊框架-支撐體系設(shè)計(jì)形式較為成熟，吊耳及相連結(jié)構(gòu)的布置形式相似，建立更大范圍的局部模型，通過(guò)對(duì)吊耳及相連結(jié)構(gòu)的整體受力分析，后續(xù)還能夠?qū)Υ祟惖醵贾眯问教岢鰞?yōu)化，為升壓站上部組塊設(shè)計(jì)提供更多參考。

2.2 邊界條件及荷載

邊界條件：考慮到在ANSYS中僅建立了局部模型，吊耳兩側(cè)工字鋼未完整建出，因此對(duì)兩側(cè)工字鋼梁末端進(jìn)行對(duì)稱約束；由于支撐-框架結(jié)構(gòu)足夠穩(wěn)定，此處認(rèn)為立柱下端剛度足夠，因此對(duì)主柱底部末端進(jìn)行全固支約束。

荷載工況：上部組塊自重為3 000 t，將外部荷載施加在吊耳孔上半?yún)^(qū)內(nèi)。在考慮了適當(dāng)?shù)闹亓Ψ糯笙禂?shù)及吊裝過(guò)程中的偏心系數(shù)后，外部荷載如下：吊耳平面內(nèi)豎向荷載PV=18 000 kN，方向?yàn)閆軸正向；吊耳平面內(nèi)水平向荷載PH=2 530 kN，方向?yàn)閄軸正向；吊耳平面外水平向荷載PZ=909 kN，方向?yàn)閅軸正向。

模型約束并加載后如圖3所示。

圖3 邊界條件及荷載圖

2.3 結(jié)果分析

加載求解后的von Mises應(yīng)力云圖如圖4所示，靜力計(jì)算結(jié)果表明模型最大應(yīng)力為277 MPa，最大應(yīng)力位置發(fā)生在吊耳座板與主柱相連位置。

圖4 整體結(jié)構(gòu)von Mises應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖分布趨勢(shì)進(jìn)一步分析，若單看吊耳板上的應(yīng)力分布(見(jiàn)圖5)，吊耳板處最大應(yīng)力為僅為201 MPa，發(fā)生在主吊耳板與吊耳加強(qiáng)板交界位置，此處應(yīng)力大小要比整體最大應(yīng)力小30%左右。能夠看出此類吊耳形式吊耳板并非是最危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)，相對(duì)危險(xiǎn)位置共有兩處：吊耳座板與主柱焊接處、吊耳加強(qiáng)板與吊耳板焊接處。因此在使用有限元軟件進(jìn)行吊耳強(qiáng)度校核時(shí)，若單純的僅建立吊耳板及吊耳座板模型，邊界條件采用固支吊耳座板，最終得到的校核結(jié)果并不準(zhǔn)確，會(huì)錯(cuò)過(guò)吊耳危險(xiǎn)應(yīng)力位置。

圖5 吊耳板von Mises應(yīng)力云圖

通過(guò)第二節(jié)的數(shù)學(xué)公式對(duì)比分析理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 理論結(jié)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比表 MPa

從對(duì)比結(jié)果中不難看出，理論計(jì)算方式由于并未考慮附加的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(如吊耳環(huán)板、吊耳豎向加勁板)，只考慮了吊耳主板及兩側(cè)的吊耳加強(qiáng)板，計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，與有限元計(jì)算結(jié)果有明顯差異，差值在1倍左右。因此在設(shè)計(jì)周期緊張時(shí)，雖然可以通過(guò)理論計(jì)算方法對(duì)吊耳進(jìn)行快速校核，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，但是也會(huì)造成鋼材浪費(fèi)，上部組塊總重增加。

2.4 吊耳布置角度優(yōu)化分析

海上升壓站上部組塊由于其框架-支撐體系的結(jié)構(gòu)特性，通常在主柱上布置4個(gè)吊耳來(lái)進(jìn)行海上吊裝。吊裝過(guò)程中，采取吊裝吊架-吊繩-吊耳的施工方式來(lái)控制吊繩與吊耳的平面外誤差，基本做到了吊繩與吊耳板窄側(cè)面垂直。由于其頂層框架結(jié)構(gòu)布置的相對(duì)固定性，吊耳板的布置方向決定了施工時(shí)外部荷載的施加方向，同時(shí)也會(huì)影響到吊耳四周局部結(jié)構(gòu)的受力情況。

海上升壓站上部組塊吊耳的通用布置形式如圖6所示，其中一般情況下X、Y正向布置有工字鋼與主立柱相連，主吊耳板窄側(cè)面與X正向角度α決定了吊耳的布置方向。

圖6 吊耳平面布置示意圖

為了研究角度α對(duì)局部結(jié)構(gòu)受力的影響，在保證處吊耳外其他結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，分別建立α=0°、45°、90°、135°的吊耳有限元模型，維持邊界條件、外部荷載大小不變，僅改變外部荷載的作用方向分別進(jìn)行計(jì)算分析。

圖7和圖8分別展示了不同角度下兩處危險(xiǎn)區(qū)域的最大應(yīng)力變化。當(dāng)角度α從0°逐漸增加時(shí)，應(yīng)力變化先減小再增大，在45°時(shí)應(yīng)力最小為235 MPa，135°時(shí)應(yīng)力最大為277 MPa，應(yīng)力變化較為明顯，最大值較最小值增大了15%左右。主吊耳板的應(yīng)力變化趨勢(shì)雖然和底座板處相同，但是應(yīng)力大小變化并不明顯，角度的變化對(duì)主吊耳板應(yīng)力的影響微乎其微。因此在進(jìn)行海上升壓站上部組塊吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以優(yōu)先采取α=45°的方向來(lái)進(jìn)行布置。

圖7 不同角度下底座板處最大應(yīng)力圖

圖8 不同角度下吊耳板處最大應(yīng)力圖

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某海上升壓站上部組塊吊耳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究，對(duì)比分析了理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果，研究了吊耳板不同布置角度對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。本文可以初步得到以下結(jié)論：

1)在進(jìn)行吊耳強(qiáng)度校核時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果偏保守，時(shí)間充足的情況下還是建議采用有限元進(jìn)行校核以達(dá)到減重的目的。

2)單純的吊耳板吊耳模型計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確，最好是建立與吊耳相連的結(jié)構(gòu)進(jìn)行稍大范圍的局部分析。

3)吊耳的布置角度對(duì)升壓站主柱應(yīng)力影響較大，差值在15%左右；對(duì)吊耳板的影響微乎其微。建議優(yōu)先采取α=45°的方向來(lái)進(jìn)行吊耳布置。

通過(guò)上述研究的結(jié)論可以對(duì)同類的吊耳結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)校核提供參考，實(shí)現(xiàn)吊耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化。