編排管模塊化裝配應(yīng)力測(cè)量技術(shù)

逯春亮，呂 雷，楊梓嘉

(1.渤海造船廠集團(tuán)有限公司 船舶設(shè)計(jì)研究院，遼寧 葫蘆島 125004；2.渤海船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

目前，船舶管路系統(tǒng)裝配應(yīng)力領(lǐng)域?qū)苈费b配應(yīng)力的力學(xué)分析模型的研究較少，沒有針對(duì)管路支撐件受力的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)管路支撐件在自由狀態(tài)下的安裝和定位，以致現(xiàn)階段在進(jìn)行管路安裝時(shí)，通常會(huì)對(duì)管路施加外力，使其與管路支撐件強(qiáng)制裝配。因此，需建立管路及其附件的三維分析模型，通過ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析和計(jì)算，以獲取理論計(jì)算數(shù)據(jù)；研發(fā)管路裝配應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取真實(shí)的受力數(shù)據(jù)；通過對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)管路布置進(jìn)行修正。對(duì)編排管模塊化裝配應(yīng)力測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，通過設(shè)計(jì)測(cè)量裝置，準(zhǔn)確測(cè)量出裝配編排管時(shí)管路和管支架所受反力，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)整工裝，準(zhǔn)確調(diào)整安裝應(yīng)力的大小，使整個(gè)編排管系統(tǒng)各支架處的裝配應(yīng)力均衡，使其盡可能地達(dá)到理論狀態(tài)下的安裝狀態(tài)。

ANSYS軟件可對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)特性和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析，本文根據(jù)其靜力學(xué)特性對(duì)排管管路進(jìn)行有限元力學(xué)分析。

1 測(cè)量工裝和測(cè)量裝置

1.1 三維柔性平臺(tái)

為精確測(cè)量編排管的裝配應(yīng)力，需在內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝配過程中準(zhǔn)確裝配編排管。在預(yù)裝內(nèi)場(chǎng)管路過程中會(huì)產(chǎn)生大量自制件、支架和工裝，這些工裝往往為一次性工裝，不僅會(huì)對(duì)材料、人力資源、場(chǎng)地和施工周期造成極大浪費(fèi)，而且其精度會(huì)因制作質(zhì)量存在差異而參差不齊，不能為內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝測(cè)量提供良好的測(cè)量環(huán)境。針對(duì)該情況，需設(shè)計(jì)一套可反復(fù)使用、精度高、可調(diào)節(jié)的三維柔性平臺(tái)，采用該平臺(tái)模擬實(shí)船安裝環(huán)境[1]。

三維柔性測(cè)量平臺(tái)研制包括基礎(chǔ)平臺(tái)、平臺(tái)工裝夾具、模擬艙壁(電永磁鐵焊接件)和平臺(tái)連接件等的研制，為典型的驗(yàn)證管路制作和安裝應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量等基礎(chǔ)工裝。實(shí)現(xiàn)管路參照實(shí)船裝配情況進(jìn)行內(nèi)場(chǎng)定位和安裝，可測(cè)量管路的安裝坐標(biāo)位置。圖1為艙室級(jí)三維柔性平臺(tái)實(shí)際效果圖。

圖1 艙室級(jí)三維柔性平臺(tái)實(shí)際效果圖

1.2 編排管應(yīng)力測(cè)量工裝

傳統(tǒng)管支架由簡易角鋼支架按現(xiàn)場(chǎng)管路走向，經(jīng)切割焊接制作，布置精度低，可重復(fù)利用性差，為真實(shí)地模擬編排管支撐件的受力情況，準(zhǔn)確調(diào)整編排管的空間位置，設(shè)計(jì)一套編排管裝配應(yīng)力測(cè)量工裝[2]。

編排管應(yīng)力測(cè)量工裝由垂直升降調(diào)整支撐裝置、水平支架調(diào)整裝置、編排管保護(hù)設(shè)計(jì)、測(cè)力螺栓、拉壓載荷傳感器和精確測(cè)量設(shè)備等組成，滿足內(nèi)場(chǎng)平臺(tái)管路定位支撐和位置測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)場(chǎng)三維柔性平臺(tái)上根據(jù)編排管安裝坐標(biāo)進(jìn)行精確定位和安裝。圖2和圖3分別為編排管應(yīng)力測(cè)量工裝的理論模型和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 編排管應(yīng)力測(cè)量工裝理論模型

圖3 編排管應(yīng)力測(cè)量工裝實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

1.3 測(cè)量裝置及軟件

裝配應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)研究的核心是測(cè)量裝置及其軟件的設(shè)計(jì)研究，其原理是通過傳感器采集應(yīng)力和應(yīng)變信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)采集分析儀和軟件將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終轉(zhuǎn)化為能直接識(shí)別的數(shù)字信息。

數(shù)據(jù)采集分析儀作為編排管裝配應(yīng)力測(cè)量與計(jì)算軟件的載體，主要用于配合編排管裝配應(yīng)力測(cè)量工裝和傳感器，采集數(shù)據(jù)、調(diào)理及放大拉壓載荷傳感器和測(cè)力螺栓輸出的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示出來。數(shù)據(jù)采集分析儀可采用1/4橋型和全橋型傳感器輸出的信號(hào)。數(shù)據(jù)采集分析儀上的信號(hào)輸入面板信號(hào)接口按傳感器的不同分為載荷傳感器測(cè)量模塊的信號(hào)接口和測(cè)力螺栓測(cè)量模塊的信號(hào)接口2個(gè)模塊。

1)拉壓載荷傳感器內(nèi)部包含一組全橋應(yīng)變片，能感知傳感器軸向上承受的拉載荷和壓載荷。拉壓載荷傳感器信號(hào)輸出端為十芯航插，其接口與數(shù)據(jù)采集分析載荷模塊的信號(hào)接口一一對(duì)應(yīng)，兩者采用連接電纜連接?？蓪鞲衅鲬?yīng)變片感知到的載荷信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集析儀中，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終顯示為可理解的量化數(shù)值，并由此調(diào)整工裝，進(jìn)而調(diào)整支反力的大小。

2)測(cè)力螺栓傳感器內(nèi)部有一個(gè)1/4橋應(yīng)變片，能感知螺栓軸向發(fā)生的應(yīng)變。測(cè)力螺栓傳感器信號(hào)輸出端為三芯航插，與數(shù)據(jù)采集分析儀測(cè)量螺栓模塊的信號(hào)接口一一對(duì)應(yīng)。通過測(cè)量螺栓可精確測(cè)量出編排管兩側(cè)的受力狀態(tài)，由此確定編排管系統(tǒng)各管之間受力是否平衡，若不平衡，通過調(diào)整螺栓使其達(dá)到受力平衡。

應(yīng)力測(cè)量分析軟件是編排管應(yīng)力測(cè)量裝置的核心，為評(píng)判編排管安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供真實(shí)數(shù)據(jù)支撐，包含測(cè)量通道配置、過程測(cè)量和數(shù)據(jù)分析等3部分。測(cè)量通道配置根據(jù)傳感器的不同分為載荷傳感器測(cè)量模塊配置和測(cè)量螺栓傳感器測(cè)量模塊配置，對(duì)測(cè)量通道的名稱、測(cè)量狀態(tài)、測(cè)量極值、應(yīng)變計(jì)因子、額定電阻、導(dǎo)線電阻和應(yīng)變應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[3]。

測(cè)量與顯示為該軟件的主體部分，通道設(shè)置完成之后，將被測(cè)編排管系統(tǒng)軸測(cè)背景圖插入，在背景圖上布置測(cè)點(diǎn)位置，由此即可測(cè)量當(dāng)前狀態(tài)下測(cè)點(diǎn)的受力情況，根據(jù)受力情況調(diào)整測(cè)量工裝，實(shí)時(shí)測(cè)量測(cè)點(diǎn)受力的變化。參數(shù)含義：

1)“是否啟用”指是否使用該通道進(jìn)行測(cè)量；

2)“通道名稱”指該測(cè)量通道使用的測(cè)力螺栓傳感器的編號(hào)，默認(rèn)與通道號(hào)一致；

3)“最大值/最小值”指該測(cè)量通道測(cè)量的應(yīng)變的最大值/最小值，默認(rèn)值為0.001 με/-0.001 με；

4)“應(yīng)變計(jì)因子”指該測(cè)量通道使用的測(cè)力螺栓傳感器和應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)，默認(rèn)值為2.01；

5)“額定電阻”指該測(cè)量通道使用的測(cè)力螺栓傳感器的額定電阻，默認(rèn)值為120 Ω；

6)“換算K1”指該測(cè)量通道使用的測(cè)力螺栓傳感器應(yīng)變到應(yīng)力的換算系數(shù)，默認(rèn)值是與該通道編號(hào)一致的傳感器的換算系數(shù)1。

測(cè)量數(shù)據(jù)分析：對(duì)多次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，記錄并分析隨著測(cè)量工裝位移的調(diào)整，測(cè)點(diǎn)所受應(yīng)力和載荷的變化情況，并最終用表格輸出。

2 應(yīng)力的測(cè)量及分析

2.1 CATIA計(jì)算信息自動(dòng)提取模塊

通過CAA編程提取CATIA模型的幾何信息，包括管路空間位置信息、管子規(guī)格與材料信息和支吊架空間位置信息等。圖4為提取的幾何信息。

圖4 提取的幾何信息

2.2 ANSYS模型仿真

根據(jù)從CATIA模型中獲取的幾何信息生成ANSYS APDL命令流文件。采用CAA程序調(diào)用該文件，可完成前處理、加載和求解工作。采用CAA程序調(diào)用編輯好的ANSYS APDL命令流文件，可完成后處理工作，將所需數(shù)據(jù)提取出來，并輸出計(jì)算文件[4-6]。

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過讀取結(jié)果參數(shù)文件，將計(jì)算結(jié)果輸出為txt文件格式的參數(shù)，顯示在命令對(duì)話框中，包括最大應(yīng)力和每個(gè)支吊架的受力情況。圖5為有限元模型；圖6為計(jì)算結(jié)果輸出文件。

圖5 有限元模型

圖6 計(jì)算結(jié)果輸出文件

通過計(jì)算軟件對(duì)導(dǎo)入的管路模型進(jìn)行計(jì)算，可計(jì)算出重力狀態(tài)下支架所受應(yīng)力的大小，可在指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計(jì)管路布置時(shí)更加合理地進(jìn)行管支架布置，同時(shí)根據(jù)內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝過程中測(cè)得的真實(shí)應(yīng)力數(shù)據(jù)調(diào)整管支架的空間位置和大小，以保證編排管裝配應(yīng)力盡可能地貼近理論計(jì)算值。

3 結(jié) 語

通過對(duì)編排管模塊化裝配應(yīng)力測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，研制了編排管裝配測(cè)量檢測(cè)平臺(tái)組合樣機(jī)，達(dá)到了以下目標(biāo)：

1)三維柔性平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)場(chǎng)編排管模塊化單元預(yù)裝中對(duì)全船編排管單元安裝環(huán)境的精確模擬，淘汰了大量內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝臨時(shí)工裝制作，縮短了內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝周期，減少了材料浪費(fèi)，大大提高了將內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝結(jié)果轉(zhuǎn)嫁到實(shí)船上的精確性。

2)編排管應(yīng)力測(cè)量工裝，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)場(chǎng)預(yù)裝過程中管支架對(duì)管路空間位置的調(diào)節(jié)功能和對(duì)管路裝配應(yīng)力的測(cè)量功能。

3)編排管裝配應(yīng)力測(cè)量與計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管路裝配應(yīng)力的量化測(cè)量和對(duì)應(yīng)力調(diào)整的實(shí)時(shí)監(jiān)控。