基于SACS软件海上升压站节点分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 23 日 作者简介：陈长兵（1974），男，汉族，山东临沂人，高级工程师，本科，山东电力工程咨询院有限公司，研究方向为电力结构工程及海上结构。-82-基于 SACS 软件海上升压站节点分析 陈长兵 王艳强 刘昌斌 李 旭 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013 摘要：摘要：本文采用 SACS 软件，对某海上升压站钢结构连接节点进行应力分析，计算时采用壳单元模拟钢板，采用杆单元模拟梁柱，采用弹性本构关系，进行弹性计算分析，并通过对比分析 ANSYS 及 ABAQUS 通用有限元软件的计算结果，验证了采用 SACS 软件计算连接节点的安全性与可行性，可为后续类似工程节点分析和设计提供参考。关键词：关键词：SACS；有限元；连接节点；应力分析 中图分类号：中图分类号：TM614 1 概述 目前世界能源来源以不可再生能源为主，2021 年统计世界一次能源消费中，化石能源占比 81.9%，可再生能源占比 13.6%，我国是世界第一大能源消费国，占世界能源消费总量 26.5%。化石能源形成过程漫长，需要数百万甚至数亿年的时间。据估计，目前全球已知的化学能源储量只能支撑人类使用约 100 年。化石能源在开采、加工和使用过程中会产生大量的废弃物和排放物，对环境造成严重污染和破坏。二氧化碳的排放使地球发生可见温度的提高温室效应，引起全球变暖，海平面上升等自然危害。2020 年 9 月 22 日，我国宣布了能源目标，力争 2023 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取 2060 年实现碳中和目标。为实现我国双碳目标、解决化石能源带来的能源危机和环境危害，急需寻找更清洁、可持续的替代能源，产生更少或没有污染物，并且具有更高的效率和安全性。我国国民经济持续飞速发展，对能源需求日益增长，随着消耗不断加快建设多元互补的综合电力供给体系极其重要，尤其是清洁能源。海上风电凭借资源稳定、发电功率大等特点在零炭新能源开发中占据重要位置，近年来得到大规模建设发展。海上升压站为风电电力汇集、变压、电力输送的核心功能构筑物。考虑施工工期及安装费用，上部结构一般采用在陆上工厂制作，完成焊接、涂装、电气设备安装调试等工序后运输至现场安装。整个上部结构在结构、建筑、暖通、电气设备安装等施工完成并调试结束后整体吊装到升压站导管架基础上。伴随着海上风电的快速发展，海上风电单机容量及数量越来越大型化，风场容量越来越大。配套升压站规模越来越大。上部平台由总重由 300WA 的 3000t 逐步到 500WA的 4000t，最近实施了 1000WA 的 5000t。升压站整体尺寸和重量的大型化，对海上吊装提出了更高安全要求。吊耳为吊装过程受力集中、荷载大为关键构件，强度如不符合要求，将为整个吊装施工过程带来巨大隐患，吊耳强度分析为设计重要任务。图 1 例图 升压站不仅承受上部设备荷载，还承受风、波浪、流、地震等各种动力荷载的作用，为复杂受力构筑物。升压站需考虑建造、运输、在位、拆除等多种工况，其中在位工况需考虑运行工况、极端环境工况、地震工况以及疲劳工况。升压站节点为多力汇交部件，为中国科技期刊数据库 工业 A-83-梁（H 型钢）、柱（圆管）以及斜撑等受力杆件（圆管）相交的复杂受力节点，现阶段除圆管相贯节点有相关规范计算公式外，其他无直接计算方法，为保证结构安全，一般采用有限元法对复杂节点进行分析计算。相比于传统 ANSYS 及 ABAQUS 等商业通用有限元分析软件，海洋 SACS 软件 JOINT 模块，该模块可基于整体杆件模型对局部节点进行细化壳单元分析，且可考虑多种工况共同作用，是一种高效、全面的计算分析软件。考虑到节点是升压站设计的核心安全组成部分，且其荷载大，极具安全重要性，有必要开展相关工作以研究 SACS 软件 JOINT 模块应力计算分析的可靠性。2 基本原理 按照传统方法，当建立局部有限元模型对吊耳进行强度分析时，通常需先开展基于梁系结构的整体计算，以获得构成吊耳结构每根杆件的杆端载荷，并将其作为外力施加于吊耳局部计算分析模型。梁理论一般包括 Euler-Bernoulli 梁理论（经典理论）和Timoshenko 梁理论。对于前者，梁内各点的位移可用中面挠度 表示(式（）)，对于后者，梁内各点的位移可用 和转角 表示（式（）：经典梁理论忽略剪切变形的影响，只适用于长梁，不适用于杆件截面高度与长度相比不太小的吊耳局部计算分析模型。Timoshenko 梁理论对此进行相关改进，即假设变形前垂直于梁中面的横截面在变形后与梁中面存在转角，但也仅考虑一阶剪切变形，对于模型中的短粗梁仍不能精确求解。当薄板受一定荷载时，总可以把一个荷载分解为两个分荷载，一个作用在薄板中面之内的面内荷载，另一个是垂直于薄板中面的所谓横向荷载，面内纵向荷载可按平面应力问题计算，横向荷载将使薄板弯曲，可按板弯曲问题计算。可选择壳单元有考虑：直法线假定及中面为零的 Kirchhoff 板；基于考虑横向剪切变形，位移和转动各自独立插值 Mindlin板等，根据板壳理论，当结构的曲率半径 R 与厚度 h的比值大于等于 20 时，可采用壳单元。3 验证模型 采用有限元等数值分析，对于边界条件的设置，往往在局部模型的端部施加简支或固定约束，该简化方法与实际情况有偏差，通常会对计算结果造成较大误差。若对整体模型采用精细化建模方式，虽然会得到相对精细结果但计算量过于庞大，计算效率过低。基于整体结构的多尺度有限元分析方法，指在同一模型中既建立高精度的精细单元，又建立高效宏观单元，通过一定的方法实现不同单元连接，且由于不涉及局部结构的边界条件及简化处理，通常能达到计算精度及效率的平衡。海上升压站上部结构的吊耳节点由于受力大，节点复杂，故选作本文的验证节点。图 2 吊耳节点计算模型简图 本文采用整体结构的多尺度有限元分析方法，准确模拟节点受力区，节点区采用壳单元模拟以便后续提取相关计算结果，节点区之外的结构部分采用杆单元模拟以便传递已有荷载，杆单元和壳单元连接处采用节点耦合，柱远端采用固结约束，梁远端采用铰接约束，为避免吊耳集中力引起局部单元应力集中，在吊耳顶部施加竖直向均布荷载，同时施加水平向均布zz(,)1(,)z(,)x2(,)xxxux zzwu x zux zzu x z （）（）（）（）（）xzyzz=0=0=0，中国科技期刊数据库 工业 A-84-荷载。该模型实现了节点边界及连接的准确性，且有效减少了计算单元数量，加快了计算速度。采用材料及构件尺寸是：吊耳单板 100mm 厚连接于柱顶，伸入下部柱内 800mm，柱采用直径 1000mm，壁厚 50mm，吊耳耳板下部处设钢隔板 40mm 厚；柱与梁连接，梁截面尺寸 H600 x400 x30 x40，梁采用壳单元长度 1000MM,采用杆系长度 1500mm，柱采用壳单元长度 2300mm,采用杆系长度 1500mm。竖向荷载按约 500t 荷重考虑，四点起吊，安全系数采用 2，竖向力总值 5000/4*2=2500 kN,水平力按 0.1 倍竖向力共 250kN。本次验证的吊耳节点计算模型简图如图 2 所示。验证模型材料统一为 Q355 钢材，屈服强度为355MPa，材料密度为 7.85X103Kg/m3。弹性模量为E=2.06X103Pa，泊松比 V=0.3。计算分析采用长度单位为 m。力的单位为 N。应力单位为 Pa。考虑到钢材为典型的均质且各向同性材料，计算时采用理想弹塑性本构模型，屈服应力 355N/mm2.材料本构关系见图 3。模型计算时，不考虑材料大变形引起的几何非线性，不考虑节点区域焊缝以及残余应力，忽略初始缺陷对节点受力的影响。图 3 理想弹塑性材料本构关系 4 有限元计算 升压站主体结构采用 SACS 计算，并调用 JOINT 模块进行吊耳节点有限元细化分析，同时采用通用有限元软件 ANSYS 及 ABAQUS 对吊耳节点进行对比分析。4.1 SACS 软件分析 在 SACS 软件中，采用软件自带的网格划分功能，选中目标节点，并设置网格的形状、尺寸和材料属性自动划分，最终形成由梁系结构精细单元组成的导管架有限元模型。SACS 软件可自动实现上述 2 种单元之间的连接。板采用默认 6 节点 3 角形板壳 DKT 单元，内部积分点 3 个，可输出节点及积分点应力。局部坐标及积分点见图 4。图 4 SACS 软件板壳单元 4.2 ANSYS 软件分析 根据吊耳节点设计图纸及SACS计算得出杆件的内力，建立吊耳的ANSYS节点分析模型,为保证可比性，各杆件的建模长度与SACS有限元模型中进行网格划分的杆件长度保持一致。梁端节点和板壳绑定一起，采用的 shell181 壳单元是 4 节点有限应变壳体单元，每个节点6个自由度，可以考虑三个方向的平动和转动。该单元既可考虑弯曲和薄膜效应，又可考虑剪切变形，适合对薄板结构到具有一定厚度的壳体结构进行分析，该单元可以进行线性分析、几何非线性分析、材料非线性分析，具有塑性、徐变、应力刚化、大变形、大应变、初始应力、剪切变形等功能。4.3 ABAQUS 软件分析 根据吊耳节点设计图纸及SACS计算得出杆件的内力，节点分析模型，为保证可比性，杆件的建模长度与SACS有限元模型中进行网格划分的杆件长度保持一致。梁端节点和板壳绑定一起，采用 S4 壳单元，该单元是 4 节点完全积分的多功能有限膜应变壳单元，每个节点6个自由度，可以考虑三个方向的平动和转动。默认内部积分点 2*2 个。图 5 SACS 软件板壳单元 模型中单元网格划分尺寸参考了海上钢结构疲劳强度分析推荐作法 2.13.2条及图 6 模拟举例使用相应板厚级尺寸。依据海上移动平台入级规范 2020 版本s中国科技期刊数据库 工业 A-85-3.4.2 节要求，提取板单元中面上的米塞斯应力作为节点模型的分析计算结果。图 6 板壳单元剖分尺寸 4.4 计算结果 各节点计算分析模型构建完成后，施加相应的荷载及边界约束，进行线性静力求解计算，提取相应的应力计算结果以及位移计算结果，各计算模型及计算结果详见图 6图 8。SACS分析结果显示应力较集中在耳板处，最大von Mises 等效应力位于耳板与立柱交点稍微靠上位置，为101N/mm2。最大位移在耳板左上角 A007 节点，Ux=0.029cm（sacs 默认输出单位 cm）ANSYS 分析结果显示应力较集中在耳板处，最大von Mises 等效应力位于耳板与立柱交点位置，为124N/mm2。查 询 耳 板 左 上 角 节 点 最 大 位 移，Usum=8.7x10-4m。ABAQUS 分析结果显示应力较集中在耳板处，最大von Mises 等效应力位于耳板与立柱交点的柱位置，查询耳板为米塞斯应力值为 98.8N/mm2。查询耳板左上角节点最大位移，Ux=3.1x10-4m。计算结果表明，三种软件都能较为真实地反应吊耳节点的应力分布及变形分布，Von Mises 应力集中区域基本相同，但应力值略有不同，其中 ANSYS 计算模型应力最大（其值为 124MPa），SACS 次之（其值为101MPa），ABAQUS 最小（其值为 98.8MPa）。三种有限元计算软件计算所得的 Von Mises 应力值均小于钢板的屈服应力值，即吊耳节点结构设计安全可靠，且具有一定的安全裕度。图 7 SACS 模型及应力计算结果 变形图 中国科技期刊数据库 工业 A-86-图 8 ABAQUS 模型及应力计算结果 变形图 图 9 ANSYS 模型及应力计算结果 变形图 5 结果对比及结论 通过以上计算结果对比分析可知，吊耳节点耳板Von Mises 应力，SACS 为 101N/mm2，ANSYS 为 124N/mm2，ABAQUS 为 98.8 N/mm2，其中 ANSYS 计算所得的应力最大，SACS次之，ABAQUS最小。三者平均值为107.933/mm2，其中 SACS 与 ABAQUS 结算结果较为接近，SACS 相对于平均值偏差-6.4%，综合考虑 SACS 能实现整体结构计算与节点分析一体建模，能大大节约了计算时间，采用 SACS 有限元方法进行节点受力分析是可行的。三种软件的计算结果共同表明，应力集中主要分布在吊耳板与立柱连接处附近，工程设计以及加工制作安装时，应对此处加以重视。参考文献 1王勖成.有限单元法基本原理和数值方法M.第 2 版.北京：清华大学出版社,2020.2徐芝纶.弹性力学法M.第 4 版.北京：高等教育出版社,2021.3王新敏.ANSYS 工程结构数值分析M.北京:人民交通出版社,2007.4庄茁.基于 ABAQUS 的有限元分析和应用法M.北京：清华大学出版社,2019.5国家发展和改革委员会.海上钢结构疲劳强度分析推荐作法:SY/T 10049-2004S.北京:石油工业出版社,2017.6 中国船级社.海上移动平台入级规范:2020 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2023.7 中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准条文说明:GB50017-2017 S.北京:中国建筑工业出版社,2017.