1项目背景

最近做的一个项目需要做一个水下结构物的manway（人孔）应力分析，先简单介绍一下项目背景：某水下300米左右结构物，为Φ4000X50的圆管，在陆地建造时需要开manway便于内部施工，施工完后再用预制封板焊接密封。结构物海上安装时有一段时间圆管是密封状态，最终就位后圆管内是内外水压平衡的充水状态。相关尺寸见下面几张图。

需要分析杆件开人孔后，以及因封板焊接错皮误差（±3mm，±6mm）和封板预制弧度误差（4000±60mm）造成的应力集中影响。需求解的问题属于结构静强度分析。采用ANSYS SCDM的快速实体建模技术，在Workbench中进行结构分析。

2约束与计算工况

2.1 载荷和边界条件

考虑到圆管接近海底，对管端有支撑作用，因此受到轴向载荷作用，在一端施加100MPa轴向应力作为标定应力，另一端施加轴向约束，同时打开analysis settings里的weak springs来约束水平位移，这样的约束方式可以避免约束位置的应力异常。在密封状态时，由于受到外部静水压力，因此圆管侧壁施加4MPa（考虑一定余量）的静水压力。

2.2 计算工况

将计算分为两组Condition：Condition1和Condition2分别为不考虑及考虑静水压力。Condition1对应实际工作状态，Condition2对应初始安装密封状态。Case分15个，因此共需要计算30次。另外为了验证及校准标定，增加了一个未开人孔圆管，受轴向载荷和静水压力的工况case 0。

表1 Condition 1工况

Condition 1	Case No.	封板弯曲直径 /mm	错皮 /mm
没有4MPa 静水压力	1	OD=4000	0
	2，3		+/-3
	4，5		+/-6
	6	OD+60	0
	7，8		+/-3
	9，10		+/-6
	11	OD-60	0
	12，13		+/-3
	14，15		+/-6

表2 Condition 2工况

Condition 2	Case No.	封板弯曲直径 /mm	错皮 /mm
有4MPa 静水压力	1	OD=4000	0
	2，3		+/-3
	4，5		+/-6
	6	OD+60	0
	7，8		+/-3
	9，10		+/-6
	11	OD-60	0
	12，13		+/-3
	14，15		+/-6

3建模和加载

采用实体建模，模拟5米长的圆管。为简化考虑，焊缝边缘直线连接模拟焊材，不做圆弧过渡，也不模拟back-up bar，此处的模型采用Bonded方式连接焊材与母材。Workbench自动采用20节点六面体单元Solid186和10节点四面体单元solid187进行网格划分。为控制网格规模，焊缝及周围网格尺寸采用30mm，其他区域网格尺寸采用60mm，这一网格可以较好地反映焊缝的细部应力。

下图显示的是整体模型，以及人孔、焊缝和封板的局部。

由于涉及计算情况较多，限于篇幅，本文仅介绍Case1和Case2两种情况。下图显示了焊缝建模的细节。

4计算结果

4.1校准工况

首先看一下Case0的计算结果。Case0的位移云图和von-mises应力云图如下。

杆件内部von-mises应力略大于杆件外部，应该是静水压力产生的径向弯曲造成的，属于正常现象，下面简单的验证下等效应力是否准确。

环向应力：fh=p*R/t=4*2/0.05=160MPa

径向应力：fr约等于4MPa

轴向应力：fa=100MPa

等效应力：feq简化考虑约等于：

在Case0中杆件von mises应力内外平均为（141.6+134.53）/2=138.065 MPa。上述两个结果相吻合，证明有限元模型计算结果是合理的。

4.2计算工况

采用节点的最大von-mises应力作为结果评价依据。这里只给出在两种Condition下Case1和Case2的结果。下图为Case1在Condition1和Condition2条件下的应力分布。

下图为Case2在Condition1和Condition2条件下的应力分布。这两张图对应力集中的局部进行了放大。

两种Condition下的15个Case的结果汇总列于下面的表格：

表3 Condition 1工况结果

Case No.	名义Von-mises 应力MPa	最大Von-mises 应力MPa	应力集中系数
1	100	128.09	1.28
2		127.46	1.27
3		128.05	1.28
4		137.21	1.37
5		130.81	1.31
6		119.24	1.19
7		126.29	1.26
8		127.31	1.27
9		137.93	1.38
10		131.60	1.32
11		121.75	1.22
12		126.53	1.27
13		124.13	1.24
14		136.96	1.37
15		132.61	1.33
平均值	100	129.06	1.29
平均偏差	4.36	样本方差	30.39

表4 Condition 2工况结果

Case No.	名义Von-mises 应力MPa	最大Von-mises 应力MPa	应力集中系数
1	100	165.64	1.66
2		188.04	1.88
3		193.83	1.94
4		203.06	2.03
5		218.06	2.18
6		158.46	1.58
7		178.55	1.79
8		192.89	1.93
9		204.42	2.04
10		210.02	2.10
11		163.77	1.64
12		187.51	1.88
13		177.86	1.78
14		212.94	2.13
15		219.62	2.20
平均值	100	191.64	1.92
平均偏差	16.22	样本方差	394.10

5结论

Condition1结论：杆件一旦开人孔，无论是否原位密封，都存在较大的应力集中系数，超过错皮和封板弧度缺陷造成的影响。可能是因为焊缝剖口的接触模拟方法较保守的考虑了焊缝剖口的剪切不连续影响，而单元网格可能没有较为细致的反映几何不连续的影响。总体上应力会有30%左右的增大。

Condition2结论：4MPa静水压力使得人孔的不利影响变大，应力有近100%的增长，且应力增长趋势变得不稳定，尤其是错皮缺陷造成影响更大。因此一般不建议在有较大静水压力的结构上开人孔，除非有相应的局部加强措施，以及更严格的焊接、检验质量要求和保证，或者采取结构内部充水等降压措施。

作者简介：

尹光荣，工学硕士，毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，就职于海洋石油工程股份有限公司，主要从事海洋固定平台结构分析与设计工作。

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