立管在位應力的有限元分析及程序.docVIP

立管在位应力的有限元分析及程序 ? 曾晓辉 柳春图 ? （中国科学院力学研究所） ? 提 要 由于作用于立管的载荷和边界条件十分复杂，采用有限元法（板壳元）对其进行在位应力分析。对本文所编制的专用于立管在位应力分析的有限元程序进行了介绍。它包含一个前处理模块，一个有限元计算模块，及一个后处理模块。 通过对多种情况下（波浪、海流、管径、壁厚等参数取不同值）立管的应力计算结果进行分析，找到对应力影响较大的参数，为进行合理的立管设计提供依据。 Summary Due to the complexity of forces and boundary conditions, the finite element method (FEM) is adopted to analyze the on the spot riser. The FEM program calculating the stress of riser is introduced. It consists of three parts. The preprocessing part can automatically create input data whose format accords with the ssap0h’s demand. The calculating part is ssap0h, which is a reliable FEM code. The postprocessing part can automatically create output data, which can satisfy the demand of design engineers. The parameter having comparatively large effect on the stress level of riser is found on basis of the analysis of the calculating result. This found the base for the rational design of riser. 关键词 立管 应力分析 有限元程序 Keywords riser, stress analysis, FEM program ? 1 引 言 立管是海底管道与海洋平台之间的连接管段。它在位工作时处于复杂的海洋环境中，不仅要受到波浪、海流、冰、地震、油气压力和变温应力等载荷的作用，而且在某些位置上还要受到与平台桩腿相连的卡子的约束。 立管通过卡子与平台桩腿相连。在设卡子的位置上，立管的位移是给定的（等于平台桩腿的位移），这是立管的位移边界条件。 由于立管的载荷和边界条件复杂，所以用解析方法难于处理。通用有限元程序能够求解，但一般在用这样的程序在进行计算时，需先通过一个类似于 CAD 的前处理程序，把结构画出来（建模）；然后再用译码器程序生成结构的节点、单元划分、单元性质、材料参数、载荷、边界条件等信息的数据文件；然后才能进行有限元计算，求出结构的应力。对于一个通用有限元程序来说，因为要适应不同形式的结构，所以这样的处理方法是恰当的。但若将其专门用于某种类型结构的计算，由于每次结构尺寸变化时都需要重新建模，因此非常麻烦，而且不能使计算连续进行，效率极低，难以用于工程实际。本文编制的专用于立管分析的有限元程序解决了上述问题，采用本文所做的前、后处理程序配以现有的有限元计算模块，只要输入管道、载荷及约束条件的有关数据，就可以给出实际工程设计部门所需要的应力分布。 决定应力大小的因素有很多，通过一些计算，本文分析了几种因素对立管应力的影响，为合理地设计立管提供参考。 2 立管的几何形状、载荷与边界条件 立管的放置情况如图1(a)所示，同时图中也给出了总体坐标系。立管分单层和双层两种形式，双层立管更复杂些。下面说明双层立管的情况。这种立管是由内管、外管和垫块所组成的，其基本的结构形式如图1(b)所示。 ? ? (a) (b) 图1 立管结构图 波浪、海流、浮冰等外载荷直接作用在外管上，并通过垫块传递给内管；由于内管安装和工作时的温度不同，所以在其上作用有温度（变温）应力，此外还有油压的作用，通过垫块的传递，内管中的温度应力和油压也会在外管中产生应力；地震荷载同时作用在内管、外管和垫块中。 立管与平台桩腿相连的位置上，位移是给定的（等于平台桩腿的位移），这是立管的位移边界条件。此外，埋在土中的管道还受到周围土壤的支撑。 3 立管在位应力计算的方法 由于立管的载荷和边界条件复杂，且双层管的结构形式更增添了问题的难度（内外管之间通过