0-95047

نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره 20/ پاییز و زمستان 1393(89-100)
تأثیر ناکاملی هندسی عضو مهاري روي ضرایب تمرکز تنش در اتصالات لولهاي T شکل سکوهاي شابلونی تحت بارگذاري محوري
حمید احمدي 1*، محمدعلی لطفاللهییقین 2، میرمحمد فاتحی 3

استادیار، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز؛ [email protected]
استاد، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز؛ [email protected]
فارغالتحصیل کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران دانشگاه تبریز؛ [email protected]
53949510028936

260908810028936

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

اعضاي اصلی و مهاري تشکیل دهنده یک اتصال لولهاي، در اثر اعمال نیروهاي مختلف در حـین سـاخت،انتقال و نصب و همچنین در طول عمر مفید سازه همواره داراي درجهاي از ناکاملی هندسی میباشند. بـااین حال، در فرایند تحلیل و طراحی اتصالات لولهاي ،معمولاً ناکاملی هندسی در نظر گرفته نمیشـود. بـالحاظ نمودن ناکاملی هندسی عضو مهاري در تحلیل اتصالات لولهاي، میتوان عمـر خسـتگی سـازه را بـهطور واقع بینانه تري پیشبینی کرد. در این مقاله، تأثیر ناکـاملی هندسـی و پارامترهـاي هندسـی بـی بعـداتصال بر توزیع تنش در اتصالات لولهاي T شکل سکوهاي شـابلونی تحـت بارگـذاري محـوري، از طریـقمطالعه ضریب تمرکز تنش( SCF)، بررسی میشود. پس از مدلسازي عددي اتصالات مـورد نظـر توسـطنرمافزار اجزاي محدود ANSYS، صحتسنجی مدلها با اسـتفاده از داده هـاي آزمایشـگاهی، و اسـتخراجمقادیر SCF، یک سري معادلات پارامتري براي محاسبه ضرایب تمرکز تنش در نقاط بحرانـی ارائـه مـی-گردد. نتایج نشان میدهند که ناکاملی هندسی عضو مهاري در صفحه اتصال، موجب تغییر ضرایب تمرکز تنش در نقاط ˚0 Crown و ˚180 Crown شده، اما در نقطه Saddle تأثیر قابل توجهی ندارد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 14/07/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 13/05/1393 تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

کلمات کلیدي:
ناکاملی هندسی ضریب تمرکز تنش سکوي شابلونی اتصال لولهاي T شکل نقاط Saddle و Crown

The Effect of Geometrical Imperfection of the Brace Member on Stress Concentration Factors in Tubular T-Joints of Jacket-Type Platforms under Axial Loading

Hamid Ahmadi1*, Mohammad Ali Lotfollahi-Yaghin2, Mir Mohammad Fatehi3

Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz; [email protected]
Professor, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz; [email protected]
MSc Graduate, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz; [email protected]

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History:
Received: 6 Oct. 2013
Accepted: 4 Aug. 2014
Available online: 11 Mar. 2015

Keywords:
Geometrical Imperfection
Stress Concentration Factors
Jacket-Type Platform
Tubular T-Joint
Saddle and Crown Positions
Brace and chord members of a tubular joint always have a degree of geometrical imperfection due to the manufacturing and installation processes and also the action of various loads during the structure’s lifetime. However, during the analysis and design of tubular joints, geometrical imperfection is not usually taken into account. Consideration of geometrical imperfection during the analysis can lead to a more realistic prediction of the fatigue life. In this paper, the effect of geometrical imperfection of brace member and geometrical parameters on the stress distribution in tubular T-joints under axial loading is studied. The stress concentration factor (SCF) is used to investigate the stress distribution. After the numerical modeling of considered tubular joints using ANSYS, verification of the FE models by experimental data, and the extraction of SCFs, a set of parametric equations is presented to calculate the SCFs at critical positions. The results show that the in-plane geometrical imperfection of the brace member can change the SCFs at the crown 0˚ and crown 180˚ positions, but does not have a considerable effect on SCF values at the saddle position.

1 – مقدمه
یکی از مهمترین کاربردهاي سکوهاي دریایی، استحصال نفت و گاز از مخازن زیر بسـتر دریـا اسـت. در سـال 1988، سـهم سـکوهـايدریایی در تولید نفت 9% مصرف جهانی بوده که این رقـم در سـال2000 به 24% رسیده است [1]. مقاطع لولـه اي بـه عنـوان یکـی ازعناصر سازهاي اصلی سکوها داراي امتیازات فراوانـی نظیـر مقاومـتخمشی یکسان نسبت به محورهاي مختلف، خوردگی کم و کـاهشروییدنی هاي دریایی به دلیل صافی سطح و گوشهدار نبودن هستند .
بارگذاري تناوبی ناشی از امواج دریا، محل اتصـال ایـن اعضـا را کـهیک اتصـال لولـهاي نامیـده مـیشـود، در معـرض آسـیب ناشـی ازخستگی قرار میدهد .یکی از معیارهاي تعیـین کننـده در تخمـینعمر خستگی سکو، میزان تمرکـز تـنش در اتصـالات لولـهاي سـا زه میباشد که توسط ضریب تمرکز تنش1 تعیین میگردد. این ضریب ،نسبت تنش واقعی در محل اتصال به تنش اسمی عضو مهاري است [2]. مطالعات گستردهاي در مورد تمرکز تنش در اتصـالات لولـهاي صورت گرفته است که از بین آنها به طور خلاصه موارد زیـر قابـلاشاره است.
مایرز و همکاران در سال 2001 به بررسی تـأثیر صـفحات تیغـهاي روي مقادیر SCF در پایه سـکوهاي جـکآپ پرداختنـد [3]. قـو و گائو در سال 2004 یک سري معادلات پارامتري بـراي پـیشبینـیSCF در اتصالات لولهاي همپوشان K تحت بارگذاري محوري ارائـهدادند [4]. شائو در سال 2007 تأثیر پارامترهاي هندسی بـر توزیـعتـنش حـول پنجـه جـوش در اتصـالاتT و Y را تحـت بارگ ذاريمحوري مورد مطالعه قرار داد [5]. لطفاللهـی یقـین و احمـدي در سال2010 به بررسی تأثیر پارامترهاي هندسـی روي مقـادیرSCF در ط ول پنج ه ج وش در مح ل تق اطع اعض اي اص لی و مه اري اتصالات KT تحت بارگذاري محـوري پرداختنـد [6]. لـی در سـال2011 تأثیر روش درونیابی لاگرانژ روي نتایج به دست آمده بـرايضرایب تمرکز تنش را بررسی کرد [7]. لطفاللهی یقین و احمـدي در سال 2011 تأثیر پارامترهاي هندسی بـر رويSCF در اتصـالاتدو صفحهاي DKT در طول پنجه جوش را براي عضو مهاري مایـلتحت بارگذاري محوري بررسی کردند [8]. احمـدي و همکـاران در سال 2012 به بررسی تأثیر پارامترهـاي هندسـی رويSCF عضـومهاري مایل در اتصـالات لولـهاي KT تقویـت شـده بـا اسـتفاده ازسختکنندههاي حلقوي پرداختند [9]. اجمدي و همکاران در سال 2013 تأثیر پارامترهاي هندسی بـر توزیـع مقـادیرSCF در عضـومهاري مرکزي اتصالات لولهاي KT داراي سخت کنندههاي حلقوي داخلی را بررسی کردند [10].
تاکنون تأثیر ناکاملی هندسی عضو مهاري روي ضرایب تمرکز تنش مورد مطالعه قرار نگرفته است. در این مقاله تأثیر ناکاملی هندسی و همچنین پارامترهاي هندسی بی بعد اتصال روي مقادیر SCF در اتصالات لولهاي T شکل سکوهاي شابلونی تحت بارگذاري محوري بررسی شده است. در ابتدا به جزئیات مدلسازي عددي اتصالات لولهاي پرداخته میشود که شامل خصوصیات هندسی مدلها، المان مورد استفاده، مشخصات هندسی پروفیل جوش، تولید مش ،اعمال شرایط مرزي و بارگذاري، تحلیل و برداشت نتایج و در نهایت نحوه صحتسنجی مدلها میباشد. سپس به بررسی تأثیر ناکاملی هندسی عضو مهاري و پارامترهاي هندسی بی بعد روي مقادیر SCF در اتصالات لولهاي پرداخته شده و جزئیات استخراج معادلات پارامتري مورد بحث قرار میگیرد. در نهایت نیز نتایج حاصل از تحقیق جمعبندي میشوند.

مدلسازي عددي اتصالات لولهاي
جزئیات روند مدلسازي عددي اتصالات لولهاي T شکل مورد مطالعه در این تحقیق، با استفاده از نرمافزار اجزاي محدود ANSYS، در ادامه ارائه شده است.

2-1- خصوصیات ناکاملی هندسی
در شکل 1 نمونهاي از مدل داراي ناکاملی هندسی نشان داده شده که در آن انحراف عضو مهاري داراي ناکاملی در وسط عضو فرض شده است و هندسه آن توسط معادلههاي( 1) تا( 3) بیان میگردد.

=++
= 0→= 0
2/ =→Δ= : شرایط مرزي
=Δ→′ = 0
37998383548

= −+
2ΔΔ

لازم به ذکر است که علاوه بر ناکاملی هندسی مورد مطالعه در این تحقیق، انواع دیگري از ناکاملیهاي هندسی نیز ممکن است در فرایند ساخت مشاهده شوند؛ نظیر بیضوي بودن مقطع عرضی و وجود اعوجاج در نقاط مختلف در راستاي محور طولی. چنین ناکاملیهایی در مقاله حاضر مد نظر نبودهاند.

2-2- خصوصیات هندسی مدلها
در تحقیق حاضر، به منظور تعیین SCF در نقاط Saddle و Crown، 81 مدل از اتصالات لولهاي T شکل توسط نرمافزار ANSYS مدلسازي و تحلیل شده است. پارامترهاي هندسی بی بعد در یک اتصال لولهاي شامل ضرایب α ،ε ،τ ،γ ،β و αβ می -باشند که به شکل زیر تعریف میشوند:
β = d/D , γ=D/2T , τ=t/T
ε=Δ/l , α=2L/D , αB=2l/d

شکل 1 – نمونهاي از مدل با ناکاملی هندسی عضو مهاري

L و l به ترتیب طول عضو اصلی و مهاري ،d قطر عضو مهاري ،t ضخامت جدار عضو مهاري و T ضخامت جدار عضو اصلی میباشد .
مقادیر در نظر گرفته شده براي این پارامترها در جدول 1 ارائه شدهاند. با توجه به تعریف اتصال T شکل، زاویه بین اعضاي اصلی و مهاري در تمام مدلها یکسان میباشد (˚90 = θ).
افتیمیو [11] نشان داد در صورتی که عضو اصلی2 از طول کافی برخوردار باشد، توزیع تنش در محل تقاطع عضو اصلی و عضو مهاري از شرایط مرزي دو انتهاي عضو اصلی متأثر نخواهد شد .
طبق این مطالعات، در صورتی که مقدار پارامتر α بزرگتر یا مساوي 12 باشد، این شرایط برآورده خواهد شد. در مقاله حاضر نیز به منظور جلوگیري از تأثیرگذاري شرایط مرزي دو انتهاي عضو اصلی روي نتایج به دست آمده براي SCF، مقدار پارامتر α، همان -طور که در جدول 1 ذکر گردیده، برابر با 12 در نظر گرفته شده است.
چنگ و داور [12] نیز تأثیر طول عضو مهاري را روي مقادیر به دست آمده براي SCF مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان دادند در صورتی که مقدار پارامتر αB، بزرگتر یا مساوي 8 باشد، توزیع تنش در محل تقاطع عضو اصلی و عضو مهاري تحت تأثیر کوتاه بودن عضو مهاري قرار نخواهد گرفت. در مقاله حاضر نیز به منظور جلوگیري از تأثیرگذاري طول عضو مهاري روي نتایج به دست آمده براي SCF، مقدار پارامتر αB، همانطور که در جدول 1 ذکر گردیده، برابر با 10 در نظر گرفته شده است.

2-3- نوع المان
براي مدلسـازي اتصـالات لولـهاي T شـکل از المـان 95 SOLID استفاده شده است. این المان که قادر به مدلسازي احجـام نـامنظممیباشد، سه بعدي و داراي 20 گره بوده و در هـر گـره سـه درجـهآزادي دارد. در شکل 2 نمونههایی از المـان هـاي سـه بعـدي نشـانداده شده است [13].

جدول 1- مقادیر پارامترها در اتصالات مورد مطالعه

مقادیر مفروض پارامتر
0/6 ،0/45 ،0/3 β
30 ،20 ،10 γ
1/0 ،0/7 ،0/4 τ
0/03 ،0/025 ،0/02 ε
12/0 α
10/0 αβ

2-4- مشخصات هندسی پروفیل جوش
مدل کردن صحیح پروفیل جوش یکی از مهمترین عوامل تأثیرگذار در دقت نتایج به دست آمده براي SCF میباشد. در این پژوهش ،ابعاد جوش در امتداد منحنی تقاطع اعضاي اصلی و مهاري بر اساس ضوابط AWS D1.1 [14] انتخاب شده است. در شکل 3 و جدول 2 جزئیات پروفیل جوش نشان داده شده است.

2-5- تولید شبکه
مشبندي مدل اجـزاي محـدود اتصـال لولـهاي یکـی از مهـمتـرینمعیارهــاي تعیــین کننــده در دقــت نتــایجSCF اســت. در ایــن تحقیق، مشهـایی بـا چگـالیهـاي متفـاوت بـراي مـدل هندسـیتولید شـد و نهایتـاً چگـالی بهینـه بـا کنتـرل همگرایـی و مقایسـهنتایج بـه دسـت آمـده بـا دادههـاي آزمایشـگاهی انتخـاب گردیـد.
بع د از حص ول اســتقلال م ش، 81 م دل ســاخته ش ده، مــش -بندي شدند .
در شکلهـاي 4 و 5 نمونـه هـایی از مـش تولیـد شـده بـراي مـدلداراي ناکــاملی هندســی و نــواحی اطــراف جــوش نشـ ان داده شدهاند.

2-6 – اعمال شرایط مرزي
ب ه دلی ل وج ود تق ارن در ص فحه اتص ال، تنه ا نیم ی از م دلتولید شـده و بـراي لحـاظ کـردن اثـر نیمـه دوم مـدل، از تعریـفشــرایط مــرزي متقــارن در نــرم افــزارANSYS اســتفاده شــد.همچنــین شــرایط مــرزي دو انتهــاي عضــو اصــلی، بــه صــورتکاملاً گیردار در نظر گرفته شد.
به منظور تعیین SCF در امتداد پنجـه جـوش، تـنش محـوري بـهاندازه یک مگاپاسکال به انتهاي عضو مهاري اعمال گردید.

2-7 – تحلیل و برداشت نتایج
تحلی ل اس تاتیکی از ن وع ارتج اعی خط ی ب راي تعی ین مق ادیرSCF در امتـ داد پنجـ ه جـ وش مناسـ ب مـ یباشـ د. مـ دول الاستیســیتهي فــولاد برابــرGPa 207 و ضــریب پواســون برابــر
3/0 در نظر گرفته شده است.
راي تعی ین مق ادیر SCF در پنج ه ج وش از روش ب رونی ابی خطــی اســتفاده گردیــده اســت. در شــکل 6 محــدودهي بــرون-یابی نشان داده شده است.
حـل ارائ ه شـده توس ط نـرماف زار ANSYS بـراي مق ادیر ت نش،به طور پـیشفـرض، یـک حـل بـا مبنـاي المـان بـه المـان اسـت؛مگ ر ای ن ک ه ک اربر گزین ه دیگ ري را انتخ اب نمای د. در واق عANSYS ابتــدا مقــادیر تــنش را در نقــاط گــاوس بــه دســتآورده و ســپس مقــادیر تــنش در گــرههــا را از بــرونیــابی ایــن
نشه ا محاس به م یکن د. از آنج ا ک ه بس یاري از الم انه ا داراي گـ رههـ اي مشـ ترك هسـ تند ،ANSYS از تـ نشهـ اي گرهــی محاسـ به شـ ده از هـ ر کــدام از المـ انهـ اي مجـ اور ،میانگینگیري میکند. در صـورتی کـه مـش تولیـد شـده بـه حـدکــافی ریــز باشــد، تــنشهــاي میــانگین گیــري شــده اخــتلافچندانی با تـنشهـاي میـانگینگیـري نشـده نخواهنـد داشـت. بـهعبارت دیگر در شرایطی که مـش تولیـد شـده بـه حـد کـافی ریـزاس ت، اخ تلاف قاب ل ت وجهی ب ین ت نشه اي گره ی محاس به ش ده از الم انه اي مج اور در ی ک گ ره مش ترك وج ود ن دارد.
بن ابراین در ص ورتی کـه کــاربر در پـلات تـنشه اي میــانگین-گیـري نش ده مش اهده کن د ک ه مق ادیر ت نش از ی ک الم ان ب هالمان مجاور بـه شـدت تغییـر مـیکننـد، بـدین معنـی اسـت کـهمش تولیـد شـده بـه حـد کـافی ریـز نیسـت. در پـژوهش حاضـر،مش تولید شده بـراي ناحیـه بـرونیـابی حـول پروفیـل جـوش بـهح د ک افی ری ز در نظ ر گرفت ه ش ده ت ا از ب روز چن ین مش کلی جلوگیري شود.

2-8- صحتسنجی مدل اجزاي محدود
صحتسنجی مدل اجزاي محدود به منظور اطمینان از دقت مدل و در نتیجه حصول اطمینان نسبت به نتایج به دست آمده ضروري است. به منظور صحتسنجی، نتایج مدلهاي عددي بدون ناکاملی T شکل با دادههاي آزمایشگاهی HSE OTH 354 [15] مقایسه شدند. مشخصات یکی از مدلهاي آزمایشگاهی در جدول 3 ارائه شده است .مقادیر به دست آمده از مدل عددي ANSYS براي SCF در نقاط Crown و Saddle به ترتیب برابر 41/2 و 037/7 هستند.
اختلاف مقادیر SCF آزمایشگاهی و عددي در نقاط Crown و Saddle به ترتیب برابر 8% و 14% است. میزان اختلاف موجود قابل قبول تلقی میشود.

شکل 2- نمونههایی از المانهاي سه بعدي [13]

بررسی تأثیر ناکاملی هندسی و پارامترهاي هندسی بـیبعد روي ضرایب تمرکز تنش
تــاکنون پژوهشــی بــه منظــور بررســی تــأثیر ناکــاملی هندســی
عض و مه اري روي مق ادیر SCF انج ام نش ده اس ت و تحقیق ات ص ورت گرفت ه مرب وط ب ه اعض اي ب دون ناک املی م یباش ند .در شـکل هـاي 7 ت ا 24، تـأثیر پارامترهـاي هندس ی بـی بعـد ش املγ ،τ، و β و همچنــین پــارامتر ناکــاملی هندســی عضــو مهــاري(ε) روي مقــــــــادیر SCF در نقــــــــاط Crown0˚ ،Saddle و˚Crown 180 بررسـی شـده اسـت و در ادامـه نتـایج ارائـه مـی-شوند.

3-1- بررسی تأثیر پارامتر γ روي مقـادیرSCF در اتصـالداراي ناکاملی هندسی
پارامتر γ برابر نسبت شعاع به ضخامت جدار عضو اصلی است. قطـرعضو اصلی در تمام مدلها یکسان میباشد. لذا افزایش γ منجـر بـهکاهش ضخامت عضو اصـلی مـیگـردد. ضـمناً بـه منظـور بررسـیاندرکنش پارامتر γ با پارامتر β، بررسی به ازاي سه مقـدار متفـاوتپارامتر β (3/0، 45/0 و 6/0) انجام شده است.

-923543-5627772

شکل 3 – جزئیات پروفیل جوش مطابق با ضوابط AWS D1.1 [14]

دسته جزئیات (مطابق شکل (3)) پارامتر
Detail D (Ψ=40º-15º) Detail C (Ψ=75º-30º) Detail B (Ψ=150º-50º) Detail A (Ψ=180º-135º) 3 تا 13 3 تا 13 6/1 تا 6 6/1 تا 5 بازشدگی ریشه mm) R)
زاویه شمول اتصال (φ)
˚40، در صورت بیشتر بودن:
Detail B Ψ150º براي 90˚ 90˚ حداکثر

Ψ/2 ˚5/37، در غیر این صورت:
Detail C 45˚ حداقل
ابعاد جوش کامل
1.75 t1 اما t1/sinΨ  Ψ90ºبراي t1  t1  tw
2t1 Ψ براي t1/sinΨ 
150º 1.75 اما t1/sinΨ 
t1 Lw
AWS D1.1 جدول 2 – ابعاد پروفیل جوش طبق ضوابط

SCFSaddle SCFCrown τ β γ α θ (mm) D
6/5 2/8 0/51 0/53 13/3 10 90˚ 168
T20 جدول 3- مشخصات مدل آزمایشگاهی

3703321172516

شکل 4- نمونههائی از مش تولید شده در مدل اجزاي محدود اتصال لولهاي داراي ناکاملی هندسی

شکل 5 – مش تولید شده براي نواحی اطراف جوش در مدل اجزاي شکل 7- تأثیر ناکاملی هندسی عضو مهاري روي SCF در محدود اتصالات لولهاي مورد مطالعه α = 12, β = 0.3, θ = 90˚, τ= 0.4) Saddle )
307848-2614728



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید