加强环对半潜式平台腰形开口结构补强效果研究

孙黎明， 任慧龙， 冯国庆， 李 欣

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150001)



加强环对半潜式平台腰形开口结构补强效果研究

孙黎明， 任慧龙， 冯国庆， 李 欣

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院， 哈尔滨 150001)

该文采用有限元分析法开展了加强环对腰形开口结构的补强效果研究。结合半潜式平台实际开口结构，分析了加强环在开口边缘周界的布置对补强效果的影响，以及不同加强环布置方案下开口周围关键点的应力集中特性，研究了加强环形状参数对开口周界关键点应力集中的影响。通过对计算结果的比较分析得到加强环对应力集中效果改善的规律，所得结果可为有关开孔补强设计提供参考。

开口；加强环；有限元；应力集中；半潜式平台

0 引言

在半潜式平台的设计建造过程中为了保证平台的内部通风、管路及电缆的铺设，需要对平台内部结构进行开口。在平台结构所受的复杂外力作用下，开口的存在可能使周围的结构产生应力集中，甚至导致结构失效。选取合理的开口补强方式，以保证开口边缘应力集中水平在允许范围内，是设计者十分关心的问题。加强环虽然工艺上比较复杂，但对开口周围结构加强效果是较为理想的，而腰形开口又是半潜式平台最常用的开口形式，故该文主要研究加强环对腰形开口的补强效果。目前对开口补强的很多研究都表明，加强环对腹板上开口边缘的应力集中有不错的改善效果，并给出了开口边缘应力的计算方法。但现有的研究及各大船级社规范未给出加强环的具体参数选取，即如何最优地布置加强环以得到最好的补强效果。该文通过大量的有限元计算，得到了一般情况下加强环最优的形状参数和布置方式，给出了设计加强环的具体建议。

1 加强环在开口边缘的布置对补强效果的影响

选取HYSY981半潜式平台底部浮筒的一个开口为例进行分析研究。开口的尺寸为600 mm×1 200 mm(即腰形开口圆弧中点相距1 200 mm，圆弧直径600 mm)。建立HYSY981平台有限元模型，选择极限自存工况，按照ABS规范，选择浪向角45°，计算得到周期为7.76 s，波高为9.39 m，计算出平台结构的应力响应。对开口周围的有限元网格进行细化处理，开口附近的单元为50 mm×50 mm的四边形壳单元。根据计算得到的极限自存工况下开口周围应力的分布规律，选取不同长度的加强环，如图1(a)～图1(d)所示，对应力集中区域进行环加强，以找到可以达到较好补强效果的一个合适的加强环布置尺寸。以上四种情况，加强环的高度均为25 mm，加强环的长度见表1。提取米塞斯应力，对上述四种情况的开口周界应力进行计算分析，将带加强结构的应力计算结果与原始结构的应力计算结果进行比较，补强效果定义为最大应力的减小值与原始应力结果的比值，如果补强后最大应力变大，补强效果则为最大应力的增大与原始应力结果的比值，且为负值。以此来直观地考察补强效果的优劣，环加强计算结果见表1。

图1 环加强情况

加强环长度/m加强环长度占开口周长百分比开口边缘最大应力/MPa补强效果0.825.81%18.7-16.15%1.445.16%16.5-2.48%2.064.52%12.1824.35%3.1100.00%10.7633.17%

根据计算结果可知，当加强环布置在应力集中处时，会改善局部的应力集中现象。但是当加强环长度较小时，会导致应力集中现象转移至加强环边界与开口相交处，如当加强环的长度为0.8 m时，最大应力反而增加了16.15%。当加强环的长度较长时，可以改善开口角隅局部区域的应力集中现象，但加强环边缘与角隅的相交处由于结构不连续会发生新的应力集中现象，故布置加强环时应布置在整个开口的角隅。

2 组合载荷下加强环布置方式对补强效果的影响

对拉应力和剪应力联合作用下腰形开口板而言，两种力的比值不同，开口周围的最大应力集中系数也将不同。为分析腰形开口结构的最大应力集中系数与不同的剪应力与正应力比值的关系，同时进一步详细分析得到了不同的加强环布置方式下焊缝、开口边缘的应力集中现象的严重程度，进行了大量的运算。考虑到板单元不能得到焊缝各处的节点应力，故选取实体单元来模拟开口板格的结构以更准确地得到焊缝处的应力情况。由于整个结构的外力是平衡的，边界条件选取板的边界角落处自由支持。分别考虑横向拉应力和纵向拉应力与剪应力联合作用，如图2所示，并以应力集中系数作为补强效果优劣的参考标准。

图2 结构尺寸及受力示意图

2.1 开口的结构描述

根据HYSY981平台开口结构的实际尺寸，建立尺寸为1 800 mm×3 600 mm的板，板厚为20 mm，并在板上开600 mm×1 200 mm的腰形开口。对于此开口用五种不同的方式加强，加强环的厚度为20 mm，五种加强方式的主视图如图3所示。其中：(A)没有加强；(B)为开口边缘设有加强环，加强环的厚度为20 mm，高度为300 mm；(C)为距离开口边缘50 mm有双侧的加强环，加强环的厚度为20 mm，高度为300 mm；(D)为距离开口边缘50 mm有单侧的加强环，加强环的厚度为20 mm，高度为150 mm；(E)为距离开口边缘100 mm有双侧的加强环，加强环的厚度为20 mm，高度为300 mm；(F)为距离开口边缘100 mm有单侧的加强环，加强环的厚度为20 mm，高度为150 mm。

图3 加强方式的示意图

2.2 计算结果

采用应力集中系数Kx(y)来表征补强效果的好坏，其定义如下：

(1)

式中：σx,max、σy,max分别为各考察位置x、y方向最大节点正应力；σx、σy分别为距离开口边缘200 mm附近截面平均应力。

(2)

式中：b为每个有限元网格的边长；B为整个板的宽度。有限元模型尺寸开口附近单元为10 mm×10 mm×10 mm，其余网格为45 mm×45 mm×10 mm，开口结构实体单元有限元模型如图4所示。

图4 开口结构实体单元有限元模型

考虑焊缝处和边缘处应力集中现象，计算出600 mm×1 200 mm的开口结构的开口边缘、焊缝各点的应力集中系数，结果如图5～图14所示。σx为外部拉应力作用在长边的横向应力情况，σy为外部拉应力作用在短边的纵向应力情况。

图5 横向应力和剪力时开口边缘1点 图6 纵向应力和剪力时开口边缘1点

图7 横向应力和剪力时开口边缘2点 图8 纵向应力和剪力时开口边缘2点

图9 横向应力和剪力时开口边缘3点 图10 纵向应力和剪力时开口边缘2点

图11 横向应力和剪力时开口边缘4点 图12 纵向应力和剪力时开口边缘4点

图13 横向应力和剪力时开口边缘5点 图14 纵向应力和剪力时开口边缘5点

从计算结果可以看到，不论哪种受力状态对于开口角隅点1，B形式的补强效果是最好的。对于焊缝上的点2、3、4，B形式补强方式不如其他形式，对于焊缝2点，E的加强效果最好；对于焊缝3点，F的加强形式最好；对于焊缝4点，B的加强形式最好；对于焊缝5点，B的加强形式最好。

3 加强环形状参数对补强效果的影响

开口结构的尺寸等参数与上文中B的结构相同，载荷选取1∶1的横向拉应力和剪切应力，网格尺寸、单元类型及边界条件与上一节的规定一致。该节将考查加强环高度和厚度对应力集中的影响。

3.1 加强环高度对加强效果的影响

从计算结果可以看出，各位置的应力集中系数随加强环高度增加而降低，但降低的幅度逐渐减小。当加强环的高度达到板厚的6倍时，开口边缘1点的应力集中系数仅为2.86，随着加强环高度增加至7倍时，1点和3点的应力集中系数变化不太显著，尽管2点的应力集中仍有下降趋势，但综合分析可知，加强环的高度布置在板厚的六倍左右时较为合理。

图15 加强环高度对应力集中系数的影响

图16 加强环厚度对应力集中的影响

加强环的高度/mmh1/tK1K2K34023.644.563.936033.294.063.578043.063.633.2910052.933.293.1312062.863.023.0414072.842.863.01

3.2 加强环厚度对加强效果的影响

设加强环的厚度为t2，板厚为t，二者的比值为，计算得到与应力集中系数K的关系，如图16所示。其中1点为开口边缘处的某点，2点和3点为加强环与板之间的焊缝的某两点，K1，K2，K3分别为三点的应力集中系数，不同加强环厚度对补强效果的影响见表3。

表3 不同加强环厚度对补强效果的影响

从计算结果可以看出，各位置的应力集中系数随加强环厚度的增加而降低，但降低的幅度逐渐减小。当加强环的厚度增加至板厚的1.5倍时，开口边缘1点的应力集中系数仅为2.53。继续加大加强环厚度，1点和2点的应力改善并不明显，但3点的应力集中仍有较大改善，当加强环的厚度达到2.5倍时，焊缝3点的应力集中系数降低到了较低的水平。所以，当加强环的厚度布置在板厚的1.5～2.5倍左右时较为合理。

4 结论

通过合理模拟开口结构的有限元计算，可以得到以下结论：

(1) 加强环应该尽量焊接在整个开口边缘，否则容易因为结构突变导致明显的应力集中现象。

(2) 加强环焊接在开口角隅处，更利于使开口角隅的应力集中现象减小。

(3) 对于加强环的高度和厚度的选取，加强环的高度宜为板厚的6倍，加强环的厚度宜为板厚的1.5～2.5倍，这时不仅可以节省钢材以满足经济效益，补强效果也较为理想。

(4) 加强环能明显降低应力集中现象，合理的加强环布置可以使开口边缘应力集中系数降低至初始的72%，数值仅为2.43左右。

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The Structure Strengthening Effect of Strengthening Hoop on Long Circular Opening of Semi-submersible Platform

SUN Li-ming, REN Hui-long, FENG Guo-qing, LI Xin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Finite element method is used to analyze the effect of the strengthen structures on the long circular openings. Considering the actual shape of the opening in the semi-submersible platform, the influence of the strengthening hoop arrangement on the stress distribution around the openings is investigated. Additionally, the stress concentration phenomena of the key points are analyzed. Finally, it is studied how the strengthening hoop shape parameters affect the stress concentration factor. Through the comparison and analysis of the results, the regulation of the stress concentration reduction is worked out. The results can be reference for the design of the opening and its strengthening.

opening; strengthening hoop; finite element; stress concentration; semi-submersible platform

2015-10-09

孙黎明(1991-)，男，硕士研究生。

1001-4500(2016)01-0078-08

P75

A