利用ansys程序对导管架典型局部构造

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1、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

2、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

3、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

4、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3.2

5、.1单元选择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

6、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

7、于我们的问题选用低阶单元即可。3.2.2格划分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