自升式平臺(tái)液壓插銷升降裝置不均衡載荷計(jì)算及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

，，，

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

自升式平臺(tái)液壓插銷升降裝置不均衡載荷計(jì)算及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

何鵬，田崇興，趙君龍，陳佳俊

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

以某型自升式平臺(tái)液壓插銷升降裝置為例，利用海工分析軟件計(jì)算單樁最大水平載荷和彎矩，采用Ansys軟件對(duì)液壓插銷升降裝置的不均衡載荷進(jìn)行計(jì)算，并基于不均衡載荷對(duì)升降裝置的定環(huán)梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

自升式平臺(tái)；液壓插銷升降裝置；不均衡載荷；Ansys

目前自升式平臺(tái)的升降系統(tǒng)主要有液壓插銷升降系統(tǒng)和齒輪齒條升降系統(tǒng)2種類型[1-3]。因液壓插銷升降系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安全可靠[4]等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于自升式平臺(tái)和風(fēng)電安裝船[5]。對(duì)于插銷升降裝置，理論上所受垂向載荷是均衡的，但實(shí)際上由于自升式平臺(tái)長期處在惡劣的海洋環(huán)境中，受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷的作用[6-8]，最終導(dǎo)致升降裝置承受不均衡載荷的作用，特別是在風(fēng)暴自存等惡劣工況下更為嚴(yán)重。因此，對(duì)在承受不均衡載荷的插銷升降裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核是非常重要的。

以某型自升式平臺(tái)液壓插銷升降裝置為例，基于該平臺(tái)及升降裝置性能參數(shù)和總體計(jì)算模型，給出了該平臺(tái)某一樁腿上固樁架上下導(dǎo)向處最大水平載荷以及下導(dǎo)向處的最大彎矩，并以此作為輸入條件，利用有限元分析軟件Ansys對(duì)升降裝置的不均衡載荷進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)校核升降裝置主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，仿真計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

1 平臺(tái)及插銷升降系統(tǒng)性能參數(shù)

某自升式平臺(tái)為四樁腿型式。

1)平臺(tái)主尺度。船長85. 8 m，型寬40 m，型深7 m，樁腿長度75 m，樁腿節(jié)距1.5 m，樁腿縱向間距49.2 m，樁腿橫向間距40 m。

2)風(fēng)暴自存工況環(huán)境參數(shù)：風(fēng)速51.5 m/s；有義波高5.5 m；海流表面速度2.5 kn。

3)作業(yè)支持工況環(huán)境參數(shù)：風(fēng)速36 m/s；有義波高4 m；海流表面速度2 kn。

該平臺(tái)液壓插銷升降裝置性能參數(shù)見表1。

表1 液壓插銷升降裝置性能參數(shù) kN

根據(jù)平臺(tái)總體性能和環(huán)境參數(shù)，基于圖1和圖2計(jì)算模型，利用海工軟件計(jì)算出在風(fēng)暴自存和作業(yè)支持工況下平臺(tái)各樁腿固樁架上導(dǎo)向和下導(dǎo)向的水平載荷以及下導(dǎo)向處樁腿的彎矩。本為以受水平載荷和彎矩最大的樁腿為算例，并作為升降裝置不均衡載荷計(jì)算的輸入。計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 液壓插銷式自升式平臺(tái)總體計(jì)算模型

圖2 液壓插銷自升式平臺(tái)樁腿-升降裝置-固樁架局部模型

表2 不同工況下固樁架導(dǎo)向處最大水平載荷和彎矩

2 升降裝置結(jié)構(gòu)及載荷傳遞

液壓插銷升降裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)通常包括動(dòng)環(huán)梁、插銷組件、提升油缸、定環(huán)梁、平衡組件等。定環(huán)梁通過平衡組件與固樁架(平臺(tái))頂部相連，平衡組件起緩沖作用，定環(huán)梁與動(dòng)環(huán)梁通過提升油缸相連在一起，插銷組件布置在定環(huán)梁和動(dòng)環(huán)梁的四周。同時(shí)在固樁架的頂部和底部設(shè)置樁腿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。見圖3。

圖3 某型平臺(tái)液壓插銷升降裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)液壓插銷升降裝置結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過程，其載荷傳遞路徑見圖4。

圖4 液壓插銷升降裝置的載荷傳遞路徑

以上載荷傳遞路徑為串并聯(lián)混合傳遞方式，升降系統(tǒng)總體載荷包含全部3個(gè)分支。平臺(tái)總體載荷計(jì)算必須要包含液壓插銷升降裝置上下導(dǎo)向塊的水平載荷。中間分支的各環(huán)節(jié)中，取平衡組件的載荷作為外載荷對(duì)后續(xù)固樁架和動(dòng)、定環(huán)梁進(jìn)行有限元計(jì)算均較方便。

3 升降裝置不均載計(jì)算

3.1 升降裝置有限元模型

根據(jù)升降裝置各結(jié)構(gòu)的之間的約束關(guān)系及受力特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)簡化成相應(yīng)的網(wǎng)格模型，見圖5。

圖5 固樁架-樁腿-升降裝置有限元模型

3.2 邊界條件及載荷

通過在網(wǎng)格模型之間施加約束和設(shè)置接觸條件，模擬樁腿與定環(huán)梁、樁腿與固樁架及定環(huán)梁與固樁架之間的相互作用。固樁架(圍阱)由兩部分組成，其中一部分在主甲板面以上，另一部分焊接在船體中。仿真分析時(shí)，對(duì)于與船體焊接的部分進(jìn)行固定約束，實(shí)際工況中，樁腿與固樁架(圍阱)的上下導(dǎo)向處存在10 mm的間隙，仿真分析時(shí)，考慮實(shí)際情況，將接觸條件設(shè)置為采用10 mm間隙標(biāo)準(zhǔn)接觸，模擬實(shí)際的工作狀態(tài)，見圖6。

圖6 樁腿與固樁架導(dǎo)向處的接觸條件

定環(huán)梁與樁腿通過插銷接觸，固樁架與定環(huán)梁通過平衡組件進(jìn)行連接。在仿真分析中，簡化網(wǎng)格模型，將平衡組件用彈簧進(jìn)行替換，彈簧剛度500 kN/mm，見圖7。

圖7 剛性彈簧模擬平衡組件

因樁腿受水平載荷的影響，固樁架底部與定環(huán)梁之間平衡組件的載荷存在不均衡的情況，為計(jì)算出每個(gè)平衡組件的實(shí)際載荷，通過網(wǎng)格模型進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，將垂向載荷、水平載荷及彎矩施加在樁腿上。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2結(jié)果，對(duì)計(jì)算模型施相應(yīng)加載荷進(jìn)行仿真計(jì)算，得到風(fēng)暴和作業(yè)工況下升降裝置平衡組件處的實(shí)際載荷。結(jié)果見圖8和表3。

圖8 平衡組件不均衡載荷計(jì)算結(jié)果

表3 風(fēng)暴自存和作業(yè)支持工況下平衡組件載荷 N

2種工況下，對(duì)應(yīng)載荷分布見圖9。

圖9 平衡組件不均衡載荷分布

根據(jù)以上仿真分析計(jì)算結(jié)果可知，平衡組件彈簧合力約為44 135 kN，與總載荷44 145 kN基本一致，2種工況下不均衡載荷分布趨勢(shì)也是基本一致，說明不均衡載荷計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確有效的。

4 基于不均衡載荷定環(huán)梁強(qiáng)度校核

以3.1的計(jì)算結(jié)果作為輸入，樁腿底部固定約束，表3的不均衡載荷結(jié)果施加在定環(huán)梁上部8個(gè)銷軸上，樁腿插銷孔與定環(huán)梁插銷為標(biāo)準(zhǔn)接觸，對(duì)定環(huán)梁在風(fēng)暴自存和作業(yè)支持工況下進(jìn)行強(qiáng)度校核，綜合應(yīng)力云圖見圖10。

圖10 定環(huán)梁綜合應(yīng)力云圖

定環(huán)梁各部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 定環(huán)梁各部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

按照中國船級(jí)社海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則[9]，以上2種工況下定環(huán)梁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.11，從表4的結(jié)果來看，在不均衡載荷的作用下，定環(huán)梁各結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于其材料許用應(yīng)力，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)論

液壓插銷升降裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核通常是用均勻載荷進(jìn)行加載，這種分析方法過于簡單和理論，特別是當(dāng)環(huán)境載荷作用于圓柱形樁腿時(shí)，升降裝置結(jié)構(gòu)的載荷不均衡性更明顯。通過建立插銷升降裝置有限元模型，基于固樁架導(dǎo)向處水平載荷和下導(dǎo)向彎矩，計(jì)算出了升降裝置的平衡組件在風(fēng)暴和作業(yè)支持工況下所受的不均衡載荷，不均衡載荷的合力與總的垂向載荷基本一致，兩種工況下不均衡載荷的分布趨勢(shì)也接近，說明結(jié)果是準(zhǔn)確有效的，為液壓插銷升降裝置在不均衡載荷作用下進(jìn)行安全評(píng)估提供了一種途徑。

[1] 潘斌.海洋自升式移動(dòng)式平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1995.

[2] 孫景海.自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[3] 羅鋼華，楊秀禮，徐軍.插銷式液壓升降系統(tǒng)概述及其組成[J].船舶工程，2016(增刊2):135-138,142.

[4] 黃維學(xué),劉放.自升式海上鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析[J].一重技術(shù)，2011(2):1-3.

[5] 趙亞楠，郝軍，汪莉，等.自升式風(fēng)電安裝船樁腿及升降系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].船舶工程,2010,32(1):1-4.

[6] 黎劍波.自升式鉆井平臺(tái)升降裝置評(píng)估方法研究[J].石油礦場機(jī)械，2012(5)：10-13.

[7] 吳小平，陸晟.自升式鉆井平臺(tái)環(huán)境載荷及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[J].上海造船，2010(3):36-40,51.

[8] DNV Recommended Practice DNV-RP-C205.Environmental Conditions and Environmental Loads[S].DNV,2007.

[9] 中國船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2016.

Imbalance Load Calculation and Structural Strength Analysis for the Hydraulic Yoke and Pin Jacking Mechanism of Self-elevating Platform

HEPeng,TIANChong-xing,ZHAOJun-long,CHENJia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd., Wuhan 430084, China)

The maximum horizontal load and bending moment of one leg was given based on hydraulic yoke and pin jacking mechanism of one type of self-elevating platform. The imbalance load was calculated by ANSYS software to check the structural strength of fixed cross-head, the result met the requirement of design and rules.

self-elevating platform; hydraulic yoke and pin jacking mechanism; imbalance load; Ansys

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0127-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.029

2017-02-28

2017-05-03

工業(yè)和信息化部項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2014]508號(hào))

何鵬(1980—)，男，碩士，工程師

研究方向：平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)