海洋平台T型管节点应力集中系数研究.pdf

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1、第40卷第6期2011年12月船海工程SHIP＆0CEANENCII、『EERINGV01．40No．6Dec．2011DOI：lO．3963／j．isBn．1671-7953．2011．06．032海洋平台T型管节点应力集中系数研究宋杨，刘微，程哲，解德(华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074)摘要：以具有代表性的海洋平台形管接头为例，采用有限元方法，研究接头处的应力集中系数分布。分析支管6个自由度的约束条件和受载方式，基于ABAQus计算管节点在各种载荷下的应力分布，尤其关注几何学上的最危险地带——管筒十字交叉点处的应力集中系数，并根据6种基本情况下T形管

2、节点的有限元计算结果，得到管节点所受到的应力最大、结构强度最薄弱环上个点的应力集中系数，并且进一步绘制出应力集中系数曲线，直观地得到T形管节点的应力分布趋势。关键词：管节点；应力集中系数；有限元法中图分类号：U663．3文献标志码：A文章编号：167l-7953(2011)06—012l讲海洋平台，特别是近海固定式平台，大都由钢管构件焊接而成。海洋平台导管架结构位于危险水域，在风、浪、流、冰、地震、腐蚀等工作环境下，承受着复杂的疲劳损伤循环负荷。其管节点承担了海洋平台结构之间的载荷传递，因此，海洋平台的服役寿命又常常取决于其管节点保持完整性的能力。为了对这些管节头进行经

3、济有效的监测、维护和修复，需要精确的断裂力学模型以预测疲劳裂纹扩展行为。在设计阶段，通过S一Ⅳ曲线逼近的方法峰值应力通常被用来对估算管节点的疲劳寿命【lJ。但是在断裂力学中考虑海洋管结构的剩余使用寿命，还需要知道在预期的裂纹路径下应力的分布状态。作为第一步，研究其焊接点的局部应力集中系数pscF(stressconcentrationf如一tor，SCF)是非常重要的。海洋平台管节点接头有很多种形式(如T形、x形、Y形、K形，双K形，等等)到目前为止，针对这些管接头形式的应力计算，还没有形成规范，仍然在探讨中。本文通过对T形管节点采用基于有限元的直接计算法，分析其受力，

4、绘制其应力集中系数分布曲线，以期对这管节点应力集中系数参数方程的研究以及以后其它复杂节点肛虻，和管节点设计起参考作用。收稿日期：20ll讲一18修回日期：20ll旬8-3l作者简介：宋杨(1986一)，男，硕士生。研究方向：船舶与海洋结构物设计制造E-m蝴：jecysong@grnail．com1管节点应力集中原因分析1．1管节点的分类在各种管节点中，直径较小的称为撑管(或者叫支管、撑杆)，直径较大的称弦管(或者叫主管，弦杆)。被截断的撑管直接焊到完整的弦管上，撑管与弦管相交线处的弦管部分叫做塞板。简单管节点按受力可以分为T形、Y形、K形、TK形及交叉形等。交叉形又可以

5、分为双K形、双T形(或者叫十字形)和双TK形【2J。其受力情况分别是：T形和Y形管节点，撑管的冲剪力不能自相平衡，需传给弦管承受；K形节点，弦管一侧的撑管的冲剪力基本上自相平衡；交叉形管节点，一侧的冲剪力通过弦管传递给另一侧的撑管；TK形管节点各撑管间的冲剪力可以部分自相平衡，另一部分会传递给弦管作为剪力承受。本文将最为典型的T形管节点作为研究对象。图1给出了一个典型T形管节点的示意图。主要的几何尺寸有弦管的长度(￡)、外径(D)、壁厚(r)；撑管的长度(Z)、外径(d)、壁厚(￡)；以及弦管和撑管的交汇角(p=90。)。通常采用下列量纲一的量参数对其作出几何描述"J：

6、2￡．dD￡a2西∥2万；y2厅；72了实际使用中的上述管节点量纲一的量几何参数应当满足一定的取值范围。1．2管节点产生应力集中现象的原因当轴向拉力加载于撑管时，轴向刚度大，可近似地认为沿撑管与弦管交接线上弦管的位移相121第6期船海丁：稗等。巾于弦管顶部垂直方向的刚度，所以存冠点处弦管对撑管的反作用也小；交接线越向下，弦管的垂直方向刚度越大，在最深的鞍点处刚度最大，所以在鞍点弦管对撑管的反作用力也最大。冈此，撑管加给弦管的垂直载荷沿交接线的分布足不均匀的。顶部冠点处最小，鞍点处最大。，，●k彰樟骨。碰趾＼

7、制一7’脯’壤≈图1T型管节头几何参数示意另一方面，弦管受向上

8、的作用力而发生变形，由于撑弦管的约束作用，会沿交接线处产生附加应力，对弦管、鞍点处产生正的附加应力，而冠点处产生负的附加应力，这使得鞍点所受的拉应力加大，冠点的拉应力减小，甚至由原来的拉应力变为压应力”。南于弦箭壁具有柔性，在撑管作用下，弦管壁沿交接线将有局部弯曲的趋势，所产生的弯曲应力电是很大的。2有限元模型及约束、加载形式2．1有限元模型本文的研究模型满足下列要求：n=】4；口=O．5；y=18；T=0．6T形管节点弦管和撑管的交汇角口为90。。其三维造型见图2a)。采用FEMAP生成有限元网格，采用4节点壳体单元，模型总规模为537