基于ABAQUS软件的海上升压站吊耳结构强度有限元分析

马晟翔

摘 要：现有某一海上风电工程对海上升压站进行吊装施工。为保证吊装的安全，吊耳强度和焊缝强度是吊装工艺成功的最主要影响因素。而吊耳的受力比较复杂，借助ABAQUS有限元软件对吊耳结构进行强度校核;并对比双层吊耳和单层吊耳的受力情况。结果表明：有限元分析能与理论计算结果较吻合，验证有限元方法的有效性;并且改良后的双层吊耳能更好的承担吊装任务。

关键词：升压站;吊耳;强度分析;数值模拟

0 前言

全球经济快速的发展，传统能源已经不能满足人类的发展需求。并且由于使用煤炭、石油等一次性能源造成的环境污染已经危害到人类的生存，寻找一种清洁能源来改善能源需求状况的任务迫在眉睫。据估算，全世界风能总量约1 300亿千瓦，其中可利用的风能为200亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，高达每年53万亿千瓦时，而风能作为一种可持续清洁能源，可以有效的缓解能源危机与环境污染等问题，是未来主要能源的发展趋势。另外相比于传统陆上风力发电的问题，近海风力发电具有风速平稳、发电功率高，装机容量大、土地占用率低、污染小、可以大规模开发等优势，更加具有发展潜力。

虽然海上风电起步较晚，但近些年来在世界各地得到重视，发展迅速。全球海上风力发电的主要市场在欧洲，大约占有市场规模84%以上。截至2018年年底，欧洲的海上风电装机量达到1 600万千瓦。其中，英国是全球海上风电的第一大国，英国海上风电装机总量超过700万千瓦位居世界第一，裝机容量占全球海上风电总装机容量的近36%。除此之外，主要风电市场还有德国、丹麦、瑞典、荷兰等国家。

全球海上风电进入高速发展时期，中国海上风电场建设的热潮也随之而来。我国作为拥有广阔海域的国家，具有优良的发展海上风力发电的条件。随着施工技术的增强和海上风电场离岸距离的增加，海上升压站作为电能的汇集中心，数量也越来越多。

由于海上升压站比较复杂，总重量又很大，一般都在陆地上整体建造，完成后在由工程船运到项目地进行一体化安装。这使得对于吊装工艺要求格外的严格，也是施工的难点。所以对于吊耳强度的要求，是整个吊装施工工程及其关键的因素。

随着数值方法和计算机技术的快速发展，有限单元（finite element）理论和方法已经成为数值仿真技术的基本方法之一，有限单元法的快速发展又极大地促进了数值仿真技术的进步。目前有限元已经广泛的应用于机械、材料、土木、电子等专业。于万明[1]采用模拟与试验相结合的方法，对吊耳的结构设计、材料性能及焊接工艺进行了系统的研究。肖文勇[2]等对插销与吊耳的接触问题进行了深入的研究，并通过数值模拟提出了相应的改进方法;吴子昂[3]利用ANSYS软件对于海上升压站组块吊耳进行了强度校核，通过布置吊装角度优化分析，得出吊装在45度时为最优的布置方式。蔡东[4]利用ANSYS软件解决在吊耳模型计算时集中荷载的施加问题。王俊然[5]针对发动机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，利用有限元仿真验证了垂直起吊所受最大应力小于斜拉起吊;并且进行模型试验，验证了有限元仿真的有效性。

本文以某个海上风电场项目的海上升压站为背景，对比分析了吊耳强度与理论计算结果;对比双层吊耳和单层受力情况，为以后海上升压站的吊耳结构形式提供参考。

所进行的海上升压站及其吊耳强度有限元分析的主要工作有：

（1）根据具体的项目要求和施工图，建立吊耳及导管架有限元模型。（2）对于实体吊耳有限元模型进行网格的划分。（3）根据吊装要求施加荷载和边界条件。（4）建立分析步进行静力分析。（5）分析有限元模拟结果，进行数据的处理，对比分析。

1 工程实例

某上海风电场项目进行到海上升压站的运输和吊装工艺环节，为了保证项目安全顺利进行，现需要对海上升压站的基础施工进行吊装复核分析。海上升压站的吊耳材料采用DH36-Z35，屈服强度为355 MPa。吊耳主板厚80 mm，夹板厚50 mm，吊耳板宽度B=690 mm，吊耳孔直径d=210 mm，夹板外径为250 mm。

海上升压站结构包括下部支撑结构、防沉板、登录系统、靠船防撞结构、灌浆管线、J型管和吊耳，总重量达到1 304 t。

2 理论计算

施工方提供吊耳结构形式和吊装工艺，根据《钢结构设计规范》对吊耳强度以及连接焊缝的验算[6]。

根据起吊角度对荷载进行分解，以便于计算分析和模型加载。已知单个吊耳所受竖向荷载为2 167 kN，水平荷载为1 251 kN，合力为2 502 kN，安全系数取2.0。吊耳板采用DH36-Z35，屈服强度为355 MPa，材料系数为0.72，许用应力为255 MPa;主板厚80 mm，夹板厚50 mm，吊耳板宽度B=690 mm，吊耳孔直径d=210 mm，夹板外径为250 mm。焊接材料按E50型焊条，角焊缝强度为200 MPa。

（1）验算吊耳强度。

综上，吊耳强度满足要求。

（2）根据施工要求，焊缝高度不小于17 mm，焊缝长度为1 200 mm，计算焊缝高度he=11.9 mm，计算焊缝长度lw=1 166 mm，共2条焊缝。

综上，焊缝强度满足要求。

3 数值模拟

3.1 模型建立

利用ABAQUS有限元软件建立海上升压站及吊耳模型，海上升压站整体计算模型以及吊耳计算模型如图1所示。吊耳采用三维实体建模，吊耳尺寸根据项目建立，材料密度，弹性模量为，泊松比。计算过程中单位标准为长度单位m，力单位为N，应力单位为Pa。其中吊耳采用实体建模，网格采用C3D8R实体网格进行划分，与主体之间得接触采用Tie绑定形式。

3.2 荷载和边界条件施加

根据海上升压站实际起吊工况，在受力不稳的情况下，其中一个吊点失效，所以仅考虑三个吊点发挥作用，起吊要求将力分到每组吊点处，在每组两个吊耳之间设置参考点，并与两个吊耳内表面进行耦合接触，然后在耦合点上施加分解得到得集中力。

3.3 结果分析

对吊耳里的参考点施加集中力，运行分析软件，模拟计算完成得到Mises应力云图如图所示，静力计算结果显示最大应力为142 MPa，略大于理论计算结果，两者最大应力相差7.5%，误差在可接受范围之内，表明用有限元软件模拟吊耳分析其强度的有效性。

4 对比分析

基于上述理论计算和模拟分析的结构，我们再考虑一下单层和双层吊耳的强度有多大的影响，利用有限元软件再建立单层吊耳与上文中的双层吊耳进行对比分析，由于主要研究的是吊耳强度，笔者现就单独建立吊耳模型，简化海上升压站下部结构模型。边界条件的设置方式为单层吊耳侧壁进行的边界约束，设置参考点与内表面耦合约束，再施加集中力后运行程序。

有限元模拟计算得到的结果如图3所示。

将两种形式的吊耳结构对比分析，在60°起吊过程中，吊耳内壁受到起吊受压产生较大的应力。从模拟结果可以看出单层吊耳的最大应力结果几乎是双层吊耳的两倍。可知双层吊耳可以共同承担来自下部结构的荷载，并且结构的形式能够提高吊耳的稳定性。

5 结语

本文依托海上风带工程实例，对海上升压站的吊耳模型强度进行了理论计算分析，然后利用大型有限元软件ABAQUS对大重量的海上升压站进行数值模拟计算分析，对比理论计算结构验证有限元分析的可靠性，为工程核算强度提供参考，节约成本。

建立单层吊耳有限元模型，对双层吊耳和单层吊耳模型对比分析，得到双层吊耳的型式能够更好的抵抗应力变形，提高吊耳结构的稳定性，为今后的工程提供结构上的参考。

参考文献：

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

[2]于万明，王喜闻，张晓音，等.船舶吊装眼板安全可靠性分析[C].第十一届全国实验力学学术会议.

[3]吴子昂，张晓蕊.基于ANSYS软件的海上升压站上部组块吊耳的有限元分析[J].水电与新能源，2020，34（9）：46-49.

[4]蔡东，贾献林，王玮哲.基于有限元法的海上升压站组件吊耳强度计算[J].中国海洋平台，2020，35（5）：80-84.

[5]王俊然，程市，曾超，等.基于有限元仿真的發动机吊耳强度分析[J].内燃机与动力装置，2020，37（6）：13-17.

[6]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，2003.