海洋平台T型管节点应力集中系数研究
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关键词 ： 管节点 ； 应力 集中系数 ； 限元法 有
中 图分 类 号 ：６ ３ ３ Ｕ ６ ． 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ７ —９ ３ ２ １ ）６０ ２ － １ １７５ （ ０ １ ０ －１ １ ４ ６ ０
海 洋平 台 ， 别是 近海 固定 式平 台 ， 特 大都 由钢 管构 件焊 接 而成 。海 洋平 台导 管架结 构 位于危 险 水域 ， 风 、 、 、 、 震 、 蚀 等 工 作 环 境 下 ， 在 浪 流 冰 地 腐
当轴 向拉力加载于撑管时 ， 轴向刚度大 ， 可近 似地认为沿 撑管与弦管交接线上 弦管的位移相
１ ２１
第 ６期
船
海
工
程
第４ ０卷
的局部应力集 中系数 ｓ （ｔ ｓ ｃｎｅｔ ｔｎ ａ— ｃ ｓｅｓ ｏｃｎ ａｏ ｃ Ｆ ｒ ｒｉ ｆ
ｔ ，Ｃ ） ｏ Ｓ Ｆ 是非 常重 要 的 。海 洋 平 台管 节 点接 头 有 ｒ 很 多种形 式 （ Ｔ形 、 如 ｘ形 、 Ｙ形 、 Ｋ形 ， Ｋ形 ， 双 等 等 ） 目前 为 止 ， 对 这 些 管 接 头 形 式 的应 力 计 到 针 算 ， 没有 形成 规 范 ， 然在 探讨 中。 还 仍 本 文 通过 对 Ｔ形 管 节 点 采 用 基 于 有 限 元 的
实 际使 用 中的上述 管节 点量 纲一 的量几何 参
数应当满足一定的取值范围。
１ ２ 管 节点 产 生应 力集 中现 象 的原 因 ．
作者简介 ： 宋
杨 （ ９６ ） 男 ， １８ 一 ， 硕士生 。
研 究方向 ： 船舶与海洋结构物设计 制造
Ｅ ｍａ ： ｃｓｎ ＠ｇ ｉ ｃｍ － ｉ ｊ ｙｏｇ ｍａ ．ｏ ｌｅ ｌ
第４ ０卷 第 ６期 ２１ ０ １年 １ ２月
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ＯＣ ＨＩ ＥＡＮ ＥＮＧ Ｎ ＲＩ Ｉ ＥＥ ＮＧ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ６ １４ ．
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ １
Ｄ Ｉ１ ．９ ３ｊｉ ｎ １７ －９ ３２ １ ．６０ ２ Ｏ ：０３ ６ ／． ｓ．６ １ ５ ．０ １０ ．３ ｓ ７
在各种 管 节点 中 ， 径 较 小 的称 为 撑 管 （ 直 或
者叫支管 、 撑杆 ） 直径较大 的称弦管 （ ， 或者叫主
管， 弦杆 ） 。被 截 断 的 撑 管 直 接 焊 到 完 整 的 弦 管 上 ， 管 与 弦 管 相 交 线 处 的 弦管 部分 叫做 塞 板 。 撑
简单 管节 点按 受 力可 以分为 Ｔ形 、 Ｙ形 、 Ｋ形 、 Ｋ Ｔ 形 及 交叉 形 等 。交 叉 形 又可 以分为 双 Ｋ形 、 Ｔ 双
形 （ 者 叫 十字 形 ）和双 Ｔ 或 Ｋ形 ＿ 。其 受 力 情 况 ２ Ｊ 分 别是 ： Ｔ形和 Ｙ形 管节点 ， 撑管 的 冲剪力不 能 自
相平衡 ， 需传给弦管承受 ； Ｋ形节点， 弦管一侧 的 撑 管 的 冲剪 力基 本上 自相 平衡 ； 交叉形 管节 点 ， 一
侧 的冲剪力 通过 弦管 传递 给另一 侧 的撑管 ；Ｋ形 Ｔ
管节点各撑管间的冲剪力可以部分 自相平衡 ， 另
一
部 分会传 递 给弦管 作 为剪力 承受 。本文将 最 为 图 １给 出了一个 典 型 Ｔ形 管 节 点 的示 意 图。
典 型 的 Ｔ形 管节点 作 为研究对 象 。 主要 的几何 尺 寸有 弦 管 的长 度 （ 、 径 （ 、 ） 外 Ｄ） 壁 厚 （ ） 撑管 的长 度 （） 外 径 （ ） 壁 厚 （） 以及 Ｔ； Ｚ、 ｄ、 ｔ； 弦管 和撑 管 的 交 汇 角 （ ＝９ 。 。通 常 采 用 下 列 ０） 量 纲 一 的量 参数 对其 作 出几 何 描述 Ｊ ：
２Ｌ
Ｏ ｄ ；
直接计算法 ， 分析其受力 ， 绘制其应力集中系数分
布 曲线 ， 以期对 这 管 节 点 应力 集 中 系数 参 数 方 程
的研究以及以后其它复杂节点
起 参 考作 用 。
和管节点设计
ｄ
；
Ｄ
；
ｔ
收 稿 日期 ：０ １ ４１ ２ １ － —８ ０
修 回 日期 ：０ １ ８３ ２ １ － —１ ０
１ 管 节 点 应 力 集 中原 因分析
１ １ 管节 点 的分类 ．
承受着复杂的疲劳损伤循环负荷 。其管节点承担 了海 洋平 台结 构 之 间的载荷 传递 ， 因此 ， 海洋平 台
的服 役 寿命 又常 常取决 于其 管 节点保 持 完整性 的 能力 。为 了对这 些 管 节 头 进行 经 济 有 效 的监 测 、 维护 和修 复 ， 需要 精 确 的断 裂 力 学模 型 以预 测 疲 劳裂 纹 扩 展 行 为 。在设 计 阶段 ， 过 一 曲线 逼 通 Ⅳ 近 的方法 峰值 应力 通 常被用 来对 估算 管 节点 的疲 劳 寿命 … 。但是 在 断 裂 力 学 中考 虑 海 洋 管 结 构 的剩余 使 用 寿命 ， 需 要 知 道 在 预期 的裂 纹 路 径 还 下应 力 的分 布 状 态 。作 为第 一 步 ， 究 其 焊 接 点 研
海 洋 平 台 Ｔ型 管节 点 应 力 集 中系数研 究
宋 杨， 刘 微， 程 哲， 解 德
（ 华中科技 大学 船 舶与海洋工程 学院 ， 武汉 ４０ ７ ） ３ ０４ 摘 要： 以具有代表性 的海洋平 台形管接 头为例 ， 采用有 限元方法 ， 研究接头处的应 力集中系数分 布。分
析支管 ６个 自由度 的约束条件 和受 载方式 ， 于 Ａ Ａ Ｕ 基 Ｂ Ｑ Ｓ计算管节点在各种 载荷下 的应 力分布 ， 尤其关注几 何学上 的最危 险地带—— 管筒十字交叉点处 的应力集 中系数 ， 并根据 ６种基本情况下 Ｔ形管节点 的有 限元计 算结果 ， 得到管节点所受到 Biblioteka Baidu应力最 大、 结构强度最薄弱环上个点 的应力集 中系数 ， 并且进一步绘制出应力集 中系数 曲线 ， 直观地得到 Ｔ形 管节点的应力分布趋势 。
中 图分 类 号 ：６ ３ ３ Ｕ ６ ． 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ７ —９ ３ ２ １ ）６０ ２ － １ １７５ （ ０ １ ０ －１ １ ４ ６ ０
海 洋平 台 ， 别是 近海 固定 式平 台 ， 特 大都 由钢 管构 件焊 接 而成 。海 洋平 台导 管架结 构 位于危 险 水域 ， 风 、 、 、 、 震 、 蚀 等 工 作 环 境 下 ， 在 浪 流 冰 地 腐
当轴 向拉力加载于撑管时 ， 轴向刚度大 ， 可近 似地认为沿 撑管与弦管交接线上 弦管的位移相
１ ２１
第 ６期
船
海
工
程
第４ ０卷
的局部应力集 中系数 ｓ （ｔ ｓ ｃｎｅｔ ｔｎ ａ— ｃ ｓｅｓ ｏｃｎ ａｏ ｃ Ｆ ｒ ｒｉ ｆ
ｔ ，Ｃ ） ｏ Ｓ Ｆ 是非 常重 要 的 。海 洋 平 台管 节 点接 头 有 ｒ 很 多种形 式 （ Ｔ形 、 如 ｘ形 、 Ｙ形 、 Ｋ形 ， Ｋ形 ， 双 等 等 ） 目前 为 止 ， 对 这 些 管 接 头 形 式 的应 力 计 到 针 算 ， 没有 形成 规 范 ， 然在 探讨 中。 还 仍 本 文 通过 对 Ｔ形 管 节 点 采 用 基 于 有 限 元 的
实 际使 用 中的上述 管节 点量 纲一 的量几何 参
数应当满足一定的取值范围。
１ ２ 管 节点 产 生应 力集 中现 象 的原 因 ．
作者简介 ： 宋
杨 （ ９６ ） 男 ， １８ 一 ， 硕士生 。
研 究方向 ： 船舶与海洋结构物设计 制造
Ｅ ｍａ ： ｃｓｎ ＠ｇ ｉ ｃｍ － ｉ ｊ ｙｏｇ ｍａ ．ｏ ｌｅ ｌ
第４ ０卷 第 ６期 ２１ ０ １年 １ ２月
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ＯＣ ＨＩ ＥＡＮ ＥＮＧ Ｎ ＲＩ Ｉ ＥＥ ＮＧ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ６ １４ ．
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ １
Ｄ Ｉ１ ．９ ３ｊｉ ｎ １７ －９ ３２ １ ．６０ ２ Ｏ ：０３ ６ ／． ｓ．６ １ ５ ．０ １０ ．３ ｓ ７
在各种 管 节点 中 ， 径 较 小 的称 为 撑 管 （ 直 或
者叫支管 、 撑杆 ） 直径较大 的称弦管 （ ， 或者叫主
管， 弦杆 ） 。被 截 断 的 撑 管 直 接 焊 到 完 整 的 弦 管 上 ， 管 与 弦 管 相 交 线 处 的 弦管 部分 叫做 塞 板 。 撑
简单 管节 点按 受 力可 以分为 Ｔ形 、 Ｙ形 、 Ｋ形 、 Ｋ Ｔ 形 及 交叉 形 等 。交 叉 形 又可 以分为 双 Ｋ形 、 Ｔ 双
形 （ 者 叫 十字 形 ）和双 Ｔ 或 Ｋ形 ＿ 。其 受 力 情 况 ２ Ｊ 分 别是 ： Ｔ形和 Ｙ形 管节点 ， 撑管 的 冲剪力不 能 自
相平衡 ， 需传给弦管承受 ； Ｋ形节点， 弦管一侧 的 撑 管 的 冲剪 力基 本上 自相 平衡 ； 交叉形 管节 点 ， 一
侧 的冲剪力 通过 弦管 传递 给另一 侧 的撑管 ；Ｋ形 Ｔ
管节点各撑管间的冲剪力可以部分 自相平衡 ， 另
一
部 分会传 递 给弦管 作 为剪力 承受 。本文将 最 为 图 １给 出了一个 典 型 Ｔ形 管 节 点 的示 意 图。
典 型 的 Ｔ形 管节点 作 为研究对 象 。 主要 的几何 尺 寸有 弦 管 的长 度 （ 、 径 （ 、 ） 外 Ｄ） 壁 厚 （ ） 撑管 的长 度 （） 外 径 （ ） 壁 厚 （） 以及 Ｔ； Ｚ、 ｄ、 ｔ； 弦管 和撑 管 的 交 汇 角 （ ＝９ 。 。通 常 采 用 下 列 ０） 量 纲 一 的量 参数 对其 作 出几 何 描述 Ｊ ：
２Ｌ
Ｏ ｄ ；
直接计算法 ， 分析其受力 ， 绘制其应力集中系数分
布 曲线 ， 以期对 这 管 节 点 应力 集 中 系数 参 数 方 程
的研究以及以后其它复杂节点
起 参 考作 用 。
和管节点设计
ｄ
；
Ｄ
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收 稿 日期 ：０ １ ４１ ２ １ － —８ ０
修 回 日期 ：０ １ ８３ ２ １ － —１ ０
１ 管 节 点 应 力 集 中原 因分析
１ １ 管节 点 的分类 ．
承受着复杂的疲劳损伤循环负荷 。其管节点承担 了海 洋平 台结 构 之 间的载荷 传递 ， 因此 ， 海洋平 台
的服 役 寿命 又常 常取决 于其 管 节点保 持 完整性 的 能力 。为 了对这 些 管 节 头 进行 经 济 有 效 的监 测 、 维护 和修 复 ， 需要 精 确 的断 裂 力 学模 型 以预 测 疲 劳裂 纹 扩 展 行 为 。在设 计 阶段 ， 过 一 曲线 逼 通 Ⅳ 近 的方法 峰值 应力 通 常被用 来对 估算 管 节点 的疲 劳 寿命 … 。但是 在 断 裂 力 学 中考 虑 海 洋 管 结 构 的剩余 使 用 寿命 ， 需 要 知 道 在 预期 的裂 纹 路 径 还 下应 力 的分 布 状 态 。作 为第 一 步 ， 究 其 焊 接 点 研
海 洋 平 台 Ｔ型 管节 点 应 力 集 中系数研 究
宋 杨， 刘 微， 程 哲， 解 德
（ 华中科技 大学 船 舶与海洋工程 学院 ， 武汉 ４０ ７ ） ３ ０４ 摘 要： 以具有代表性 的海洋平 台形管接 头为例 ， 采用有 限元方法 ， 研究接头处的应 力集中系数分 布。分
析支管 ６个 自由度 的约束条件 和受 载方式 ， 于 Ａ Ａ Ｕ 基 Ｂ Ｑ Ｓ计算管节点在各种 载荷下 的应 力分布 ， 尤其关注几 何学上 的最危 险地带—— 管筒十字交叉点处 的应力集 中系数 ， 并根据 ６种基本情况下 Ｔ形管节点 的有 限元计 算结果 ， 得到管节点所受到 Biblioteka Baidu应力最 大、 结构强度最薄弱环上个点 的应力集 中系数 ， 并且进一步绘制出应力集 中系数 曲线 ， 直观地得到 Ｔ形 管节点的应力分布趋势 。