《ANSYS 有限元软件分析》.doc

大力发展海底管线铺设技术是我国油气资源开发的战略发展要求。铺管船作为铺管专用设备，广泛应用于海底输油管道，海底输气管道铺设，其中铺管设备级铺管工艺师铺管船的核心。目前，利用铺管船进行海底管道铺设的主要主要有四种方法：S型铺管船法（S-LAY）、J型铺管船法（J-LAY）、拖拽式铺管船法（Tow-Method）和卷管式铺管法（REEL-LAY）。托管架是海底管道S型铺设时的重要设备之一。目前，利用托管架进行深水S型铺设已经可以将海底管道铺设深至2500米的海底。此外，其铺设的速度高于其它铺管法，在未来的海洋管道铺设中应用前景广阔。当前托管架的设计及其A字架的设计都不是特别成熟，处于研究阶段，而我国的海洋石油开发迫切需要这方面的技术支持，胜利油建公司在海洋管道铺设方面更是需要这方面的技术支持，因此对于托管架A字架的研究具有现实意义。 本次研究的A字架为一对两个A字架，每个A字架高为6.7米、长为10米，宽度为1.4米，重量为20.6吨。用中间斜撑把两A字架连接在一起，增强其稳定性。每个A字架主要由两部分组成，前端的悬臂箱梁和后部的拉撑，中间的轴销把两个部分连接起来，如图1所示。每个A字架顶端装有6个定滑轮与托管架上6个动滑轮相连接。每根绳索提供20吨即200kN的拉力，12根绳索总共提供2400kN的拉力方向沿水平向向下43.8°。尾部导向轮受到水平力为183kN、竖直向下121kN的力。低端固定于铺管船甲板上，由于船体尾部空间有限，可供放置的基底面积非常小。所以基础小，要求强度高。 A字架内部结构如图2所示，采用肋板进行加强。防止结构板由于受力发生失稳破坏，局部屈曲。 结构各部位公用节点，采用4面体进行网格划分，接触部位定义接触单元。共划分单元格数为129876，节点数为247096。轴销和套筒采用转动关节连接。释放相互之间的转动约束。轴销和套筒都作为刚体处理。网格划分如图3所示。 对该结构进行有限元受力分析，为了分析的方便，只分析左边的A字架在工作荷载作用下的变形和应力，通过分析结果，对结构进行优化，现将分析优化过程说明如下： 根据第一次分析的结果，此时结构最大应力为370MPa，找出结构薄弱的地方，对其进行合理的加强，对于结构过于安全的地方进行优化。使结构在满足受力的情况下，尽量减少材料用量。经过20多次的修改。最终结构优化为如图5所示的结构。为了传力途径直接，把背部的曲面做成直面。基础占用甲板的面积进一步缩小，长度由原来的3.5米改为2.5米。 对修改后的结构进行受力分析，最大应力为275Mpa，满足许用应力335Mpa，同时材料用量降低了10吨左右。如图6所示。 总之，运用ANSYS通用有限元软件对结构进行受力分析，可以很直观的看出结构应力分布情况，分析结构设计是否合理，传力途径是否明确。尽量使复杂的结构传力途径清晰而明确。使整个结构受力合理，每一块材料都发挥其合理的性能。这样既可以做出安全而适用的设备，又不浪费材料。 经济效益、社会效益计算： 通过对结构进行优化，是安全系数不变的情况下，可以节约钢材10吨左右，每吨钢材包括手续费0.7-0.8万元，该优化设计为公司带来7-8万元的经济效益。 由于过去我们只能凭经验进行设计，很难发现受力薄弱部位或者只能一味的增加某些部位的用钢量而不能对症下药。通过有限元软件进行受力分析，可以很直观的看出结构的应力云图。对薄弱部位加强，对过强部位适当降低用料，使结构整体性能大幅提升。设计人员心中既有宏观把握，又可以不再凭经验进行细节处理，做到采用数据设计。社会效益是巨大的。 存在的问题： 1.轴销连接处采用转动关节的刚性连接，不能对轴销进行受力分析，需单独做分析。 2.结构受力可以更加合理，但由于时间原因没有继续优化。 附件目录 附件1：ANSYS分析报告。 采用单位意见： 负责人（签字）： 年 月 日 财务、预算部门意见： 签字（盖章） 年 月 日 申报单位意见： 负责人： 单位（盖章）： 年 月 日 验收组意见 奖励等级 奖励金额（元） 验收组成员签字 评定意见 年 月 日 斜撑 导向轮 悬臂梁 拉撑 轴销 图 1 铺管船A字架 图 2 铺管船A字架内部结构 图 3 铺管船A字架网格划分图