滕召帅
能威（天津）海洋工程技术有限公司 天津市 300000
摘要：作为工程设计—分析链条中的分析软件,基于设计分析应紧密集成现代设计法概念,它能与多数CAD软件联接,实现数据的共享和交换,ANSYS软件本身是通用有限元分析软件,针对具体的应用领域,以ANSYS软件核心模块为内核, ANSYS公司还提供了板成型专用软件包,土木工程专用软件包、疲劳及耐久性专用软件包,解决了通用软件专业化应用的问题。ANSYS软件目前还提供了中文用户界面,率先解决了有限元分析软件的本地化问题,为中文用户提供了极大的方便。本文分析了有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用。
关键词：有限元分析软件；ANSYS；海洋工程；应用；
常规的海洋工程结构设计中,按照规范的要求必须进行结构的静力、动力结构有限元分析,甚至还要进行包括材料非线性和几何非线性在内的非线性有限元分析。ANSYS软件以其强大的分析求解功能完全适合海洋工程的研究与设计工作的要求。
一、有限元分析软件ANSYS概述
软件分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。启动ANSYS,进入欢迎画面以后,程序停留在主程界面，用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行,也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行, 由ANSYS 自动读入并执行, 这是ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时,能有效地提高工作速度。软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。可用于各类平台及海底管线的水下圆管构件的模拟,进而可以完成导管架平台、自升式平台、坐底式平台、半潜式平台以及海底管线的结构整体静力与动力有限元分析。
二、有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用
1.有限元模型建立及网格划分
（1）建立有限元模型。按照ANSYS软件操作要求建立模型，但此过程要注意模型的简化。与吊点相关的结构通常是由很多钢板、钢管和型钢等焊接而成，由于对焊缝的模拟会涉及到倒角，这将耗费大量的时间和资源。对于特别关注的区域详细模拟倒角等结构，对于其他在宏观分析中可忽略或不重点关注的区域，则将该区域的焊缝和倒角进行简化模拟。操作方法是在建立模型时先分别建好这些区域的结构，再通过命令将它们的属性定义成是相连的，这些结构的相交线即为焊缝。
（2）选择合适的单元。单元的选择取决于所分析实体的几何特征及行为特征，也取决于人们对各种单元特性的了解。常用的有实体单元、壳单元和梁单元，与吊点相关的结构大多是板壳单元，下面主要探讨板壳单元的特性。根据板壳理论，当结构的总体厚度比典型长度小很多时可使用壳单元。ANSYS在采用数值积分计算单元刚度矩阵过程中常会由于剪切闭锁而导致单元剪切刚度被夸大使得结构变形偏小，从而影响计算结果，因此对于一定厚度的板材需要选择合适的壳单元，可参考以下原则：如果壳的长度比厚度大10倍以上的板材即厚度非常小，对于吊耳和与其相连的结构，这里推荐使用薄壳单元来划分网格。
（3）划分网格。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆网格划分的越密集，计算结果越精确，但耗费的计算机资源和计算时间也就越长。因此，单元的划分一方面要考虑计算精度的要求，另一方面也要考虑计算机的条件，比较合适的做法是对于比较关注的区域网格就划分比较密集，对于远离关注区域的单元，网格就可以划分的比较稀疏。网格的划分也可根据实践经验来局部控制单元密度，在应力梯度变化大的部位，单元可以划分的密集一些，反之在应力梯度变化平缓的部位单元可以取大一些。
2.边界条件施加方法。在有限元分析中，边界条件和载荷是影响计算结果的关键因素。因此，如何模拟好边界条件和施加合适的载荷是有限元分析取得合理结果的关键步骤。在本研究中，载荷及边界条件简化时要符合圣维南原理和平面假设，即不能显著影响离边界条件较远区域的分析结果。过去施加边界条件主要通过适当选取与吊装结构相连接的构件的长度，对这些边缘结构的端部施加固定约束或简支约束，以此减小边界条件对所关注的吊点结构的分析结果的影响，但经常会产生很大误差，使得吊点设计不是强度不够造成安全事故就是强度剩余过多造成材料和施工的浪费。本文采取的边界条件施加方法是，考虑到软件间的数据可以相互借用，对于吊装问题，通过软件进行整体吊装分析，从中提取所需节点的解，经过适当处理（比如坐标系转换）后作为边界条件施加到ANSYS模型上去。但是，很多与吊耳连接的构件是筒形结构，这些结构在整体吊装分析中是一根线，提取数据时提取的是这根线的断面即某节点的数据。
3.载荷施加。在吊点设计过程中，对吊点和直接与吊点连接的结构件，其所受载荷应考虑2.0的动力载荷系数。对其他传递提升力的构件考虑1.25的动力载荷系数。具体的吊绳力可从软件的整体吊装分析中提取。现在主要解决的问题是如何合理将吊绳拉力施加到吊耳上。吊绳拉力主要通过卡环销传给吊耳，其对吊孔的作用力主要作用在与卡环销接触的半个圆环面上，本文介绍两种方法模拟吊绳拉力对吊耳产生的作用力。一是吊孔各节点受力均平行于吊绳方向。假设卡环销对吊孔产生的作用力按照余弦分布在与其接触的圆环面上，方向均沿吊绳方向，这种情况下吊耳上各节点的受力分布由式决定： ，式中：Ｆ 表示吊绳拉力，考虑动载荷系数；Ｆ０ｘ表示吊绳方向上节点受力；Ｆθｘ表示与吊绳方向夹角为θ的节点所受的力，方向沿吊绳方向。二是吊孔各节点受力沿吊孔孔径方向。仍然假设卡环销对吊孔产生的作用力按照余弦分布在与其接触的圆环面上，不同的是力的方向垂直于接触面向外（这样考虑的理由是两面接触受压时力总是垂直于接触面）。
4.计算结果后处理。应用ANSYS进行局部强度校核时，若对模型进行了简化处理，则焊缝附近的节点会产生应力集中现象，这时该处产生的应力将会是屈服应力，因此需要对计算结果进行后处理来判断结构强度是否满足规范要求。通常有２种方法，一种是凭工程实践经验剔除掉计算结果很明显失真的节点，再去观察其他节点的强度，例如板厚突变处、网格不规则处等；另一种是依据将这些局部的峰值减小为它们所在断面一定宽度上节点应力的平均值。具体做法是取该峰值所在的节点沿板厚方向在板厚范围内的所有节点的应力平均值，然后判断这些平均值是否满足规范要求。在用ANSYS进行该处理时，可先用命令选出所需平均的节点，然后通过命令输出这些节点的等效应力值，再通过分列和计算功能得到这些节点应力的平均值。
目前有限元目前主要应用于空间结构的分析中，在海洋工程中的应用还很罕见，在海洋工程领域主要应用在以上方面，有限元还可拓展应用于各类海洋平台及海上结构物如海上风力机、船舶的锚链的破断、漂移、碰撞等各类问题，在海洋工程领域具有非常广泛应用前景。
参考文献：
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［2］张建勇.浅海独桩平台有限元分析及合理结构型式研究.天津:天津大学, 2017
［3］许雷阁，林缅.基于向量式有限元方法的长输海底管道不平整度分析[J].油气储运，2016（2）：208-214.
论文作者:滕召帅
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/10
标签：节点论文; 结构论文; 海洋工程论文; 有限元论文; 单元论文; 软件论文; 应力论文; 《防护工程》2018年第11期论文;