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      基于ABAQUS軟件的海上升壓站吊耳結(jié)構(gòu)強度有限元分析

      2021-06-13 19:47:17馬晟翔
      交通科技與管理 2021年7期
      關(guān)鍵詞:強度分析吊耳數(shù)值模擬

      馬晟翔

      摘 要:現(xiàn)有某一海上風(fēng)電工程對海上升壓站進行吊裝施工。為保證吊裝的安全,吊耳強度和焊縫強度是吊裝工藝成功的最主要影響因素。而吊耳的受力比較復(fù)雜,借助ABAQUS有限元軟件對吊耳結(jié)構(gòu)進行強度校核;并對比雙層吊耳和單層吊耳的受力情況。結(jié)果表明:有限元分析能與理論計算結(jié)果較吻合,驗證有限元方法的有效性;并且改良后的雙層吊耳能更好的承擔(dān)吊裝任務(wù)。

      關(guān)鍵詞:升壓站;吊耳;強度分析;數(shù)值模擬

      0 前言

      全球經(jīng)濟快速的發(fā)展,傳統(tǒng)能源已經(jīng)不能滿足人類的發(fā)展需求。并且由于使用煤炭、石油等一次性能源造成的環(huán)境污染已經(jīng)危害到人類的生存,尋找一種清潔能源來改善能源需求狀況的任務(wù)迫在眉睫。據(jù)估算,全世界風(fēng)能總量約1 300億千瓦,其中可利用的風(fēng)能為200億千瓦,比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍,高達每年53萬億千瓦時,而風(fēng)能作為一種可持續(xù)清潔能源,可以有效的緩解能源危機與環(huán)境污染等問題,是未來主要能源的發(fā)展趨勢。另外相比于傳統(tǒng)陸上風(fēng)力發(fā)電的問題,近海風(fēng)力發(fā)電具有風(fēng)速平穩(wěn)、發(fā)電功率高,裝機容量大、土地占用率低、污染小、可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢,更加具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

      雖然海上風(fēng)電起步較晚,但近些年來在世界各地得到重視,發(fā)展迅速。全球海上風(fēng)力發(fā)電的主要市場在歐洲,大約占有市場規(guī)模84%以上。截至2018年年底,歐洲的海上風(fēng)電裝機量達到1 600萬千瓦。其中,英國是全球海上風(fēng)電的第一大國,英國海上風(fēng)電裝機總量超過700萬千瓦位居世界第一,裝機容量占全球海上風(fēng)電總裝機容量的近36%。除此之外,主要風(fēng)電市場還有德國、丹麥、瑞典、荷蘭等國家。

      全球海上風(fēng)電進入高速發(fā)展時期,中國海上風(fēng)電場建設(shè)的熱潮也隨之而來。我國作為擁有廣闊海域的國家,具有優(yōu)良的發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電的條件。隨著施工技術(shù)的增強和海上風(fēng)電場離岸距離的增加,海上升壓站作為電能的匯集中心,數(shù)量也越來越多。

      由于海上升壓站比較復(fù)雜,總重量又很大,一般都在陸地上整體建造,完成后在由工程船運到項目地進行一體化安裝。這使得對于吊裝工藝要求格外的嚴(yán)格,也是施工的難點。所以對于吊耳強度的要求,是整個吊裝施工工程及其關(guān)鍵的因素。

      隨著數(shù)值方法和計算機技術(shù)的快速發(fā)展,有限單元(finite element)理論和方法已經(jīng)成為數(shù)值仿真技術(shù)的基本方法之一,有限單元法的快速發(fā)展又極大地促進了數(shù)值仿真技術(shù)的進步。目前有限元已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于機械、材料、土木、電子等專業(yè)。于萬明[1]采用模擬與試驗相結(jié)合的方法,對吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能及焊接工藝進行了系統(tǒng)的研究。肖文勇[2]等對插銷與吊耳的接觸問題進行了深入的研究,并通過數(shù)值模擬提出了相應(yīng)的改進方法;吳子昂[3]利用ANSYS軟件對于海上升壓站組塊吊耳進行了強度校核,通過布置吊裝角度優(yōu)化分析,得出吊裝在45度時為最優(yōu)的布置方式。蔡東[4]利用ANSYS軟件解決在吊耳模型計算時集中荷載的施加問題。王俊然[5]針對發(fā)動機垂直起吊和斜拉起吊,提出了不同吊耳手里的受力分解的方法,利用有限元仿真驗證了垂直起吊所受最大應(yīng)力小于斜拉起吊;并且進行模型試驗,驗證了有限元仿真的有效性。

      本文以某個海上風(fēng)電場項目的海上升壓站為背景,對比分析了吊耳強度與理論計算結(jié)果;對比雙層吊耳和單層受力情況,為以后海上升壓站的吊耳結(jié)構(gòu)形式提供參考。

      所進行的海上升壓站及其吊耳強度有限元分析的主要工作有:

      (1)根據(jù)具體的項目要求和施工圖,建立吊耳及導(dǎo)管架有限元模型。(2)對于實體吊耳有限元模型進行網(wǎng)格的劃分。(3)根據(jù)吊裝要求施加荷載和邊界條件。(4)建立分析步進行靜力分析。(5)分析有限元模擬結(jié)果,進行數(shù)據(jù)的處理,對比分析。

      1 工程實例

      某上海風(fēng)電場項目進行到海上升壓站的運輸和吊裝工藝環(huán)節(jié),為了保證項目安全順利進行,現(xiàn)需要對海上升壓站的基礎(chǔ)施工進行吊裝復(fù)核分析。海上升壓站的吊耳材料采用DH36-Z35,屈服強度為355 MPa。吊耳主板厚80 mm,夾板厚50 mm,吊耳板寬度B=690 mm,吊耳孔直徑d=210 mm,夾板外徑為250 mm。

      海上升壓站結(jié)構(gòu)包括下部支撐結(jié)構(gòu)、防沉板、登錄系統(tǒng)、靠船防撞結(jié)構(gòu)、灌漿管線、J型管和吊耳,總重量達到1 304 t。

      2 理論計算

      施工方提供吊耳結(jié)構(gòu)形式和吊裝工藝,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對吊耳強度以及連接焊縫的驗算[6]。

      根據(jù)起吊角度對荷載進行分解,以便于計算分析和模型加載。已知單個吊耳所受豎向荷載為2 167 kN,水平荷載為1 251 kN,合力為2 502 kN,安全系數(shù)取2.0。吊耳板采用DH36-Z35,屈服強度為355 MPa,材料系數(shù)為0.72,許用應(yīng)力為255 MPa;主板厚80 mm,夾板厚50 mm,吊耳板寬度B=690 mm,吊耳孔直徑d=210 mm,夾板外徑為250 mm。焊接材料按E50型焊條,角焊縫強度為200 MPa。

      (1)驗算吊耳強度。

      綜上,吊耳強度滿足要求。

      (2)根據(jù)施工要求,焊縫高度不小于17 mm,焊縫長度為1 200 mm,計算焊縫高度he=11.9 mm,計算焊縫長度lw=1 166 mm,共2條焊縫。

      綜上,焊縫強度滿足要求。

      3 數(shù)值模擬

      3.1 模型建立

      利用ABAQUS有限元軟件建立海上升壓站及吊耳模型,海上升壓站整體計算模型以及吊耳計算模型如圖1所示。吊耳采用三維實體建模,吊耳尺寸根據(jù)項目建立,材料密度,彈性模量為,泊松比。計算過程中單位標(biāo)準(zhǔn)為長度單位m,力單位為N,應(yīng)力單位為Pa。其中吊耳采用實體建模,網(wǎng)格采用C3D8R實體網(wǎng)格進行劃分,與主體之間得接觸采用Tie綁定形式。

      3.2 荷載和邊界條件施加

      根據(jù)海上升壓站實際起吊工況,在受力不穩(wěn)的情況下,其中一個吊點失效,所以僅考慮三個吊點發(fā)揮作用,起吊要求將力分到每組吊點處,在每組兩個吊耳之間設(shè)置參考點,并與兩個吊耳內(nèi)表面進行耦合接觸,然后在耦合點上施加分解得到得集中力。

      3.3 結(jié)果分析

      對吊耳里的參考點施加集中力,運行分析軟件,模擬計算完成得到Mises應(yīng)力云圖如圖所示,靜力計算結(jié)果顯示最大應(yīng)力為142 MPa,略大于理論計算結(jié)果,兩者最大應(yīng)力相差7.5%,誤差在可接受范圍之內(nèi),表明用有限元軟件模擬吊耳分析其強度的有效性。

      4 對比分析

      基于上述理論計算和模擬分析的結(jié)構(gòu),我們再考慮一下單層和雙層吊耳的強度有多大的影響,利用有限元軟件再建立單層吊耳與上文中的雙層吊耳進行對比分析,由于主要研究的是吊耳強度,筆者現(xiàn)就單獨建立吊耳模型,簡化海上升壓站下部結(jié)構(gòu)模型。邊界條件的設(shè)置方式為單層吊耳側(cè)壁進行的邊界約束,設(shè)置參考點與內(nèi)表面耦合約束,再施加集中力后運行程序。

      有限元模擬計算得到的結(jié)果如圖3所示。

      將兩種形式的吊耳結(jié)構(gòu)對比分析,在60°起吊過程中,吊耳內(nèi)壁受到起吊受壓產(chǎn)生較大的應(yīng)力。從模擬結(jié)果可以看出單層吊耳的最大應(yīng)力結(jié)果幾乎是雙層吊耳的兩倍??芍p層吊耳可以共同承擔(dān)來自下部結(jié)構(gòu)的荷載,并且結(jié)構(gòu)的形式能夠提高吊耳的穩(wěn)定性。

      5 結(jié)語

      本文依托海上風(fēng)帶工程實例,對海上升壓站的吊耳模型強度進行了理論計算分析,然后利用大型有限元軟件ABAQUS對大重量的海上升壓站進行數(shù)值模擬計算分析,對比理論計算結(jié)構(gòu)驗證有限元分析的可靠性,為工程核算強度提供參考,節(jié)約成本。

      建立單層吊耳有限元模型,對雙層吊耳和單層吊耳模型對比分析,得到雙層吊耳的型式能夠更好的抵抗應(yīng)力變形,提高吊耳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,為今后的工程提供結(jié)構(gòu)上的參考。

      參考文獻:

      [1]肖文勇,佘凱.吊耳局部有限元建模技術(shù)分析[J].船舶工程,2009,31(S1):94-97.

      [2]于萬明,王喜聞,張曉音,等.船舶吊裝眼板安全可靠性分析[C].第十一屆全國實驗力學(xué)學(xué)術(shù)會議.

      [3]吳子昂,張曉蕊.基于ANSYS軟件的海上升壓站上部組塊吊耳的有限元分析[J].水電與新能源,2020,34(9):46-49.

      [4]蔡東,賈獻林,王瑋哲.基于有限元法的海上升壓站組件吊耳強度計算[J].中國海洋平臺,2020,35(5):80-84.

      [5]王俊然,程市,曾超,等.基于有限元仿真的發(fā)動機吊耳強度分析[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2020,37(6):13-17.

      [6]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社,2003.

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