SACS在结构吊装计算中的应用

SACS在结构吊装计算中的应用
实习生：陈钰
实习单位：结构车间
加工设计中心
毕业院校：天津大学
所学专业：海洋工程
指导老师：高伟
SACS在结构吊装计算中的应用
实习生：陈钰
指导老师：高伟
一、简介
SACS程序是从事海洋石油平台及导管架结构分析的专业软件，本人通过PL19-3 RUP导管架的防沉板吊装来探讨一下在加工设计中利用SACS程序对结构吊装的计算分析。

二、软件介绍
SACS，即Seastate Analysis Computer System(海事分析电脑系统)的简称，由美国Engineering Dynamics公司开发，作为有限元分析软件系统的SACS，最早起源于航空航天技术及其程序代码，现已发展成为当今海事结构设计分析中应用最广泛的软件系统。

该系统包含多个互相兼容的分析程序，不仅适用于各类海事结构分析，也适用于各种民用建筑结构分析。

软件特点：
1、图形化用户界面
•全3D图形化交互界面
•智能化多文档编辑使建模更为快捷方便
•内置美国、英国、德国以及日本等国家级组织的钢架结构资料库
•全面交互式有限元模型生成器
2、静力学分析
•梁单元、板壳单元、实体元以及非线性缝隙单元
•混凝土单元，包括双向加强筋混凝土
•加强筋以及加强盒段分析
•支持弹簧元和超单元分析
•支持梁结构热载荷分析
3、非线性塑性分析
•非线性塑性失效以及大变形分析
•支持材料硬化以及连接变形分析
•可用于结构的最大极限强度确定以及安全性评估
4、动态分析
•地震波普与响应历程分析
•定常与随机海浪动态冲击响应分析
•船舶驱动分析
•冰块冲击分析
•强风作用下结构动态分析与疲劳分析
•固有和强迫振动分析
5、桁架结构设计
•基于DXF格式的交互全三维绘图界面连接详细设计与放样
•材料下料、重量控制和成本分析
•自动生成有限元连接模型
6、环境载荷设定
•专业、方便的的波浪、重力、浮力、风力等载荷的设置
•完全执行美国石油组织（API）第21版环境载荷规定
•包含5种波浪理论以及完善的流体静力学、动力学分析能力
此外SACS还包括有地基分析模块以及安装与运输分析模块等。

以上介绍的几个单元是SACS总体的特点简介，而这次本人运用的主要是静力学分析方面，下面就以模型来具体阐述。

三、计算模型
SACS在我们的日常工作中用于导管架单片及组块单片在吊装过程中的结构强度校核，下面就以我参与计算的PL19-3 RUP导管架的防沉板吊装来解释一下SACS的应用。

这个过程可以理解为防沉板采用正造时的方法，以及反造时翻身后的运输过程。

首先来介绍一下SACS的界面：
根据图纸我们建立模型，因为是防沉板，所以要求下平齐，修正ky、kz值：
设置吊装方式，三维图形为：
四、分析结果
通过建模，在后处理中施加载荷（即自重及其组合工况），由SACS自动计算得出我们所要的数据，如结构的自重及重心位置、吊绳力等。

分析如下：
1、我们为吊装设置的几种工况条件：
说明：C1即为模型所表示结构的自重；T1为阳极重量，这里我们取的是自重的0.02倍；T2工况是自重与阳极重量总和的1.05倍，这是因为真实结构中有
一些不好在模型中表示出来的部分，如在我们这个防沉板中工字钢下的T型钢结构、焊接材料等的重量，我们用1.05倍的系数来给它表示出来，以让模型计算的重量更接近真实的重量；T3的工况就是又在T2工况的基础上乘以1.15倍动载系数，这是因为在实际场地上吊装时会有风载荷等自然或人为其他因素，所以一般情况下，在吊装时我们要需要考虑到T3工况，这样可以确保吊装时的安全系数。

2、首先来看一下结构本身的自重：
****** SEASTATE BASIC LOAD CASE SUMMARY ******
RELATIVE TO MUDLINE ELEVATION
LOAD LOAD FX FY FZ MX MY MZ DEAD LOAD BUOYANCY
CASE LABEL (KN) (KN) (KN) (KN-M) (KN-M) (KN-M) (KN) (KN)
1 C1 0.000 0.000 -879.654 -12930.980 10863.715 0.000 879.654 0.000
即在C1工况下结构自重为879.654KN，也就是约89.76吨。

其它工况下可分别乘以它们的不确定系数而得到：
FX FY FZ MX MY MZ
T2 0.000 0.000 -1108.364 -16293.034 13688.279 0.000
T3 0.000 0.000 -1274.619 -18736.990 15741.521 0.000
即在T2工况下的重量约为113.1吨，T3工况下约为130.1吨。

我们既然要考虑的是T3工况，就以它算出的130.1吨作为我们吊装的重量，即我们选择的吊绳和吊钩要至少承受得了130.1吨的重量，并在这种状况下要保证安全。

3、强度校核
SACS是根据API RP 2A-WSD的要求进行检查，结果表明RUP导管架防沉板的各个部件都符合吊装条件，详细的分析在后面阐述。

SACS IV - * * * M E M B E R G R O U P S U M M A R Y * * *
API RP2A 21ST/AISC 9TH
MAX. DIST EFFECTIVE CM GRUP CRITICAL LOAD UNITY FROM * APPLIED STRESSES * *** ALLOWABLE STRESSES *** CRIT LENGTHS * VALUES * ID MEMBER COND CHECK END AXIAL BEND-Y BEND-Z AXIAL EULER BEND-Y BEND-Z COND KLY KLZ Y Z
M N/MM2 N/MM2 N/MM2 N/MM2 N/MM2 N/MM2 N/MM2 M M
A1 6B- 67 T3 0.23 0.0 -3.61 30.75 -2.77 52.30 52.30 207.00 207.00 C<.15 2.1 2.1 0.85 0.85
F1 9Q- 9R T3 0.36 3.1 -0.12 -91.03 5.13 193.732113.66 256.70 256.70 C<.15 3.1 3.1 0.85 0.85 L2 5N- 5 T3 0.02 0.0 0.01 -3.92 -2.84 207.00 163.07 258.75 258.75 TN+BN 24.6 1.5 0.85 0.85 L3 8O- 8P T3 0.05 0.0 0.00 -7.11 -9.84 207.00 168.94 240.23 240.23 TN+BN 24.7 2.1 0.85 0.85 L4 6X- 6T T3 0.32 0.7 -3.16 -71.43 -0.04 79.56 79.56 258.75 258.75 C<.15 29.4 0.7 0.85 0.85 L5 6X- 6 T3 0.51 0.0 -5.18-111.10 0.05 82.25 82.25 248.49 248.49 C<.15 29.4 4.0 0.85 0.85 L6 4P- 4O T3 0.36 3.2 6.14 -77.80 -14.54 207.00 124.29 240.10 240.10 TN+BN 19.2 3.2 0.85 0.85 X1 7S- 7E T3 0.50 0.7 -7.89 -84.93 19.64 179.904484.55 227.70 258.75 C<.15 0.7 0.7 0.85 0.85 X2 4P- 59 T3 0.29 0.0 -1.64 -59.76 -3.69 182.391483.56 223.78 248.96 C<.15 1.8 1.8 0.85 0.85 在AISC中关于应力有以下公式：
（1）、压弯和拉弯组合应力校核
梁的容许应力由下式确定：
F a＝0.6F Y
F by＝F bz＝0.66F Y
（2）、应力校核公式：
A、剪应力f a＝F VZ/A V<F V
f a/ F V<1.0
B、组合应力f a＝F a/A
F by＝M Y/W y
F bz＝M Z/W z
f a/F a＋f by/F by＋f bz/F bz<1.0
所以，根据以上的这些公式，当杆件的应力值小于1时，强度即满足要求。

上面的数值图表所表示的即为在T3条件下各类杆件中最大的组合应力结果，
可按以上的公式计算，得出的应力值即为UNITY CHECK值，从UC的数据得知都小于1，所以都满足要求。

4、节点冲剪校核
此项主要校核的是节点校核是否满足需要，一般冲剪都在详细设计阶段考虑了，但为了安全起见，在这里我们也要进行进一步的校核。

* * J O I N T C A N S U M M A R Y * *
(UNITY CHECK ORDER)
**************** ORIGINAL ****************** ************ LOAD DESIGN *********** ********* STRENGTH DESIGN ********** JOINT DIAMETER THICKNESS YLD STRS LOAD STRN DIAMETER THICKNESS YLD STRS LOAD DIAMETER THICKNESS YLD STRS STRN (CM) (CM) (N/MM2) UC UC (CM) (CM) (N/MM2) UC (CM) (CM) (N/MM2) UC 5 91.440 3.810 345.000 0.034 0.470 91.440 0.953 345.000 0.611 91.440 2.858 345.000 0.836 K 76.200 3.180 345.000 0.074 0.285 76.200 1.275 345.000 0.514 76.200 1.910 345.000 0.790
同强度校核，其UC值都小于1，即都满足要求。

这些结果都由SACS自动计算得到，对于我们来说是十分方便和节约时间的，只通过得到的数据就可以大体校核结构是否能满足要求。

另外，SACS还可以指出校核后比较危险的杆件，让我们有提前的认识对这些杆件在吊装时进行加固，保证安全。

下图体现的就是在T2工况下应力比比较大的杆件：
5、吊绳与吊钩所承受的力：
（1）、4根吊绳每两端的力：
SACS-IV SYSTEM MEMBER FORCES AND MOMENTS
******************** KN ********************* ******************* KN-M ******************** MEMBER MEMBER GROUP LOAD FORCE(X) FORCE(Y) FORCE(Z) MOMENT(X) MOMENT(Y) MOMENT(Z)
NUMBER END ID CASE
7E- 9U 7E D1 C1 243.93 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T2 307.36 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T3 353.46 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
9U C1 243.93 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T2 307.36 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T3 353.46 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
9U- 4O 9U D1 C1 243.94 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T2 307.36 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T3 353.46 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
4O C1 243.94 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T2 307.36 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T3 353.46 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
9U- 61 9U D1 C1 243.93 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T2 307.35 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T3 353.45 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
61 C1 243.93 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
T2 307.35 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 T3 353.45 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 9U- 8R 9U D1 C1 243.94 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 T2 307.37 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 T3 353.47 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 8R C1 243.94 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 T2 307.37 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 T3 353.47 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
因为我们在计算中已经把Y和Z方向完全束缚住，所以Y和Z方向的力都为0，而只有X方向上的力。

根据这个分析得出的结果，可使我们进行钢丝绳的选型；而且我们还可以通过这个项目得出的值进行吊点处的局部强度校核。

T3条件下吊绳每段的力都大约是353.46KN，即36.1吨。

所以我们在选吊绳时就要考虑可以承受36.1吨以上的型号。

（2）、吊钩所承受的力：
SACS-IV SYSTEM REACTION FORCES AND MOMENTS
********************* KN ******************** ******************** KN-M *******************
JOINT LOAD FORCE(X) FORCE(Y) FORCE(Z) MOMENT(X) MOMENT(Y) MOMENT(Z)
NUMBER CASE
9U C1 0.000 -0.004 879.635 0.000 0.000 0.000
T2 0.000 -0.005 1108.340 0.000 0.000 0.000
T3 0.000 -0.006 1274.590 0.000 0.000 0.000
吊钩在Z方向的力为1274.59KN，也就是约130.1吨，所以选择吊车时要参考这个数据。

现在是一台吊车作业，如果是两台或三台吊车联合作业，我们可以用已得出的结果来对吊车进行布置。

如果在两台吊车联合作业中，有一台吊车的起吊能力不足，我们要改变吊点的位置来重新计算吊钩的力，以致得到最佳方案。

6、在各种工况下X、Y、Z方向的最大位移点及最大位移是：
***************** MAXIMUM JOINT DEFLECTION REPORT *****************
LOAD *** X-DIRECTION *** *** Y-DIRECTION *** *** Z-DIRECTION ***
CASE JOINT DEFLECTION JOINT DEFLECTION JOINT DEFLECTION
CM CM CM
C1 52 0.1150 6Q -0.2462 6R -6.3688
T2 52 0.1449 6Q -0.3103 6R -8.0247
T3 52 0.1667 6Q -0.3568 6R -9.2284
变形图如下：
图形只是表示变形的趋势，是夸张的表示，图上的形状并不代表真实的形状。

五、总结
这次计算是通过SACS程序来对于结构在吊装中所涉及的杆件处强度的校核，证明结构都在能承受的范围之内，为实际工作提供理论保证。

通过这次计算，我觉得SACS在作为整体强度方面的校核优势明显，具有建模速度快、计算结果清晰易读的优点。

但是SACS也有一定的不足之处，主要是对局部强度的校核能力还是不足，现在在进行吊装计算中整体用SACS，局部用ANSYS进行校核。

通过使用SACS软件，为我们加设中心在以后进行总体方案及吊装方案中提供了强有力的硬件保障。

在实际工作中与其他软件、方法结合，更好的完成公司的各项工作任务，为公司创造更大的利益。

以上时本人在实习期间体会到的，有什么不足之处还请各位专家领导批评指正。

在此感谢车间及加设的领导、同事对我的帮助，特别是高伟对我的指导。