生活樓防爆墻防爆性能分析

魏亞菲++李娟

摘 要：在海洋平臺發生爆炸的情況下，生活樓防爆墻的防爆性能將很大程度上影響平臺工作人員的安全。采用ANSYS軟件建立生活樓防爆墻整體有限元模型，在考慮了爆炸壓力的基礎上，對防爆墻爆炸工況下的性能進行準靜力分析，計算得出防爆墻結構各個組成部分的受力及變形，并根據模擬計算結果對生活樓防爆墻安全性能進行評價，為生活樓設計提供技術保障。

關鍵詞：生活樓防爆墻；爆炸壓力；有限元模型；準靜力分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.242

1 引言

隨著海洋經濟的發展，海上石油開采量占我國石油開發總量比重逐年增加。而近些年來，海洋平臺生產事故頻發，安全問題越來越引起各方關注，爆炸、火災等特殊狀況逐漸納入海洋平臺設計的范疇。海洋平臺生活樓是海上生產人員的生活休息場所，是平臺上人員最為密集的區域，生活樓防爆墻在爆炸時起到保護生活區人員的作用，因此，針對生活樓防爆墻受力情況的研究對生活樓結構設計及保證爆炸過程中生活區域人員的安全都具有重要意義。 本研究針對渤海海域一平臺生活樓防爆墻，利用SHELL 181單元模擬防爆墻的結構框架及墻皮，建立模擬防爆墻爆炸過程受力的有限元模型，計算出受力結果并利用結果對防爆墻的安全性能進行評價，對海洋平臺生活模塊設計有一定參考意義。

2 有限元分析理論基礎[1]

有限元法是將連續體用網格劃分為有限數目個單元體，這些單元體之間在節點處相互鉸結，形成離散結構，用這些離散結構來代替原來的連續體結構，以分析應力和變形，將荷載移置作用于離散結構的節點上，成為節點荷載。應力—應變關系表示為：

（1）

式中：為彈性矩陣。由虛位移原理和應力—應變關系，可建立節點荷載和節點位移之間的關系，即

（2）

式中，[K]，[δ]，[R]分別為剛度矩陣，節點位移和節點荷載列陣。解方程可求得位移，進而可推出應變和應力的分布。

3 有限元模型建立

3.1 材料的選擇及參數

本文以渤海灣某平臺生活樓防爆墻參數為基本數據進行計算，模型使用的主要參數有：彈性模量E、剪切模量、泊松比、鋼材密度。防爆墻墻皮及支撐型材材料材質選取遵循該項目規格書中的要求，其屈服強度及材料性能如表1所示。

注意：根據API RP 2A中 C18.7.3章節[2]，分析爆炸荷載下的結構時，可將許用應力的安全系數提升至1.0，因此，防爆墻組件的許用應力等于其材料的屈服強度。

3.2 建模并劃分網格

本文采用了美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件ANSYS15.0進行防爆墻的局部有限元分析。該計算選用181殼單元對防爆墻結構進行模擬，181殼單元適用于分析薄至中等厚度的殼形結構，它是每個節點具有6個自由度的4節點單元，6個自由度指X、Y、Z三個軸方向的位移和繞X、Y、Z三個軸的轉角。181殼單元非常適用于線性、大轉角或大應變非線性分析[3]。

網格劃分的好壞直接影響求解的精度及速度，該計算采用掃略方式劃分網格，整個模型單元間由節點連接，單元變形滿足幾何連續性。

3.3 施加載荷及約束

防爆墻由橫向支撐梁和豎向支撐拉筋固定，為模擬甲板梁對防爆墻的約束，必須在模型里建立做夠長的甲板梁，并對該段甲板梁末端節點施加三個方向的約束。經過試算分析，模擬的甲板梁的長度不能小于1.5倍梁的高度。

依據規范，爆炸過程中除爆炸壓力外其他受力相對較小，可不考慮。業主提供的火災及爆炸分析報告中的數據顯示，生活樓高度處的最大爆炸壓力為0.13bar，本文取爆炸過程中防爆墻所受的最大爆炸壓力0.13bar作為恒定值施加到相對應的結構上。

生活樓防爆墻邊界條件及爆炸過程中的受力情況如圖1，2所示。

4 計算結果分析

該爆炸過程采用靜態分析模擬，并打開大變形選項，如果一根或多根梁變形過大，則會使剛度矩陣不正定，從而導致分析不收斂。根據有限元模型分析計算，防爆墻最大受力為252.229MPa，最大變形為9.757mm，各部分受力及變形結果如表2所示。

計算結果滿足防爆墻各部分的屈服應力要求，該防爆墻結構能夠

（下轉第206頁）

（上接第269頁）

承受設計的爆炸壓力值，并且不會失穩。防爆墻的整體受力情況及變形見圖3、圖4。

5 結論

利用ANSYS建立生活樓防爆墻模型，進行防爆墻防爆性能分析，得出以下結論：

（1）利用Shell181單元建立生活樓防爆墻有限元模型，對爆炸過程中防爆墻受力情況進行模擬是可行的。

（2）爆炸時最大應力發生在支撐梁及立柱上，防爆墻各部位最大應力均小于其許用應力值，結構強度滿足設計要求。

（3）爆炸過程中墻皮吸收爆炸產生的能量，發生變形，最大變形量為9.757mm，這個數值小于墻皮與臨近設備的最小間隙，滿足安全要求。

（4）對于爆炸模擬計算結果中所受應力安全儲備余量較小、變形較大的部位，可通過加大材料規格及增加支撐等多種形式進行加強。

該模擬計算方法對于生活樓防爆墻爆炸過程中受力檢測及安全性能評價有重要參考價值。

參考文獻：

[1]顏云輝，謝里陽等.結構分析中有限單元法及其應用[M].沈陽：東北大學出版社，2000.

[2]中國海洋石油天然氣標準.海上固定平臺規劃、設計和建造的推薦作法（SY/T4802-92）.2014：135.

[3]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

作者簡介：魏亞菲（1989-），女，山東博興人，助理工程師，研究方向：船舶與海洋結構物設計制造。