鉆柱立根排放升降臂的受力性能分析

陳悅軍，王維國(guó)，解文芳，雷昊天，張 磊

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

鉆柱立根排放升降臂的受力性能分析

陳悅軍，王維國(guó)，解文芳，雷昊天，張 磊

（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070）

為了分析海洋鉆井平臺(tái)中的二層臺(tái)立根動(dòng)力排放升降臂的強(qiáng)度，采用ANSYS有限元軟件，在合理選取鋼材特性基礎(chǔ)上，采用單元為8節(jié)點(diǎn)的Solid45建立分析模型。在升降臂懸臂夾頭的端部施加集中載荷來模擬端頭自重力和外載荷，進(jìn)行豎向位移分析和Mises應(yīng)力分析。根據(jù)分析結(jié)果，在懸臂板和滑道連接處增加加強(qiáng)板，使其強(qiáng)度滿足規(guī)范的要求。

鉆柱；升降臂；應(yīng)力分析

隨著海洋鉆井平臺(tái)工程結(jié)構(gòu)形式的多樣化和復(fù)雜化，越來越多的工程人員采用有限元軟件進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析，作為設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)安全性的驗(yàn)算和有效補(bǔ)充［1-2］，例如采用ANSYS、ABAQUS等大型通用有限元軟件，其計(jì)算精度高、可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。海洋鉆井平臺(tái)立根排放裝置中的升降臂是核心受力件，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法難以校核其強(qiáng)度。根據(jù)海洋作業(yè)的安全要求，本文采用ANSYS軟件對(duì)其受力性能進(jìn)行有限元分析。

1 升降臂裝置簡(jiǎn)介

1.1 功能和結(jié)構(gòu)

在起下鉆過程中，海洋鉆井平臺(tái)二層臺(tái)立根動(dòng)力排放裝置用于在動(dòng)力鼠洞或井口與排放架之間移動(dòng)鉆柱立根，操作人員不需要與鉆柱直接接觸。該裝置頂端和底端各有1個(gè)移動(dòng)小車。頂端移動(dòng)小車軌道安裝在二層臺(tái)指梁之上，移動(dòng)小車可沿縱橫2個(gè)方向移動(dòng)并可沿中心旋轉(zhuǎn)。其下部安裝有升降臂及上夾持機(jī)構(gòu)，可帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)及上下移動(dòng)。底部小車軌道安裝在鉆臺(tái)面井眼與立根盒之間，沿軌道方向移動(dòng)，并可沿中心旋轉(zhuǎn)。其上部安裝有下夾持機(jī)構(gòu)，配合上夾持機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作。頂端小車?yán)靡簤厚R達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過一系列蝸輪蝸桿和齒輪齒條傳動(dòng)，使其沿軌道移動(dòng)并可繞中心回轉(zhuǎn)。底部小車的液壓缸和活塞桿機(jī)構(gòu)可以配合上部移動(dòng)，使小車移動(dòng)并旋轉(zhuǎn)180°，同步移運(yùn)鉆柱立根到達(dá)指定方向［1］。升降臂的結(jié)構(gòu)和受力如圖1。

圖1 升降臂的結(jié)構(gòu)和受力示意

1.2 材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

二層臺(tái)立根動(dòng)力排放裝置升降臂中擋板和筋板材料均為Q345B，容許彎曲應(yīng)力fy為345 MPa，泊松比為0.3。其余筋板材料均為Q235B，容許彎曲應(yīng)力fy為235 MPa，泊松比為0.3，彈性模量E＝206 000 MPa?？紤]到該項(xiàng)目中要求結(jié)構(gòu)件在工作狀態(tài)中處于彈性，因此計(jì)算時(shí)鋼材本構(gòu)關(guān)系選取雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化模型，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分為彈性階段和塑性階段，塑性段的斜率取為初始彈性模量的0.01倍，即0.01E＝2 060 MPa。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型如圖2所示。

圖2 材料的本構(gòu)關(guān)系示意

2 建立有限元模型

根據(jù)升降臂的特征，在ANSYS有限元建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化。根據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)圖建模，模型采用的單元為Solid45，該單元是8節(jié)點(diǎn)的3維實(shí)體單元，具有良好的計(jì)算精度［2］。該裝置的材料模型都采用鋼材雙折線隨動(dòng)強(qiáng)化材料本構(gòu)模型，能夠較好地反映鋼材的力學(xué)行為。升降臂的有限元模型如圖3所示。圖4～5分別是轉(zhuǎn)盤和筋板圖以及懸臂端與筋板圖。

圖3 升降臂的有限元模型

圖4 升降臂的轉(zhuǎn)盤與筋板

圖5 懸臂端與筋板

有限元模型的邊界條件和載荷如圖6所示，在懸臂夾頭的端部施加集中載荷來模擬端頭自重力和外載荷。實(shí)際結(jié)構(gòu)中夾頭作用1個(gè)大小為170 k N的集中荷載，根據(jù)圣維南原理，將該集中荷載簡(jiǎn)化為2個(gè)分別布置在懸臂夾頭的端部的集中荷載，每個(gè)集中力大小為85 k N。整個(gè)升降臂有限元模型中施加0.524 rad／s的角速度來模擬升降臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)180°的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為6 s。

圖6 升降臂載荷與邊界條件

升降臂有限元模型網(wǎng)格劃分如圖7所示，該網(wǎng)格劃分所采用的單元類型為Solid45。

圖7 升降臂網(wǎng)格劃分示意

3 分析結(jié)果

3.1 豎向位移

通過ANSYS有限元分析計(jì)算，升降臂在外載荷作用下旋轉(zhuǎn)180°過程中的最大位移出現(xiàn)在懸臂夾頭的端部，這是由于夾頭端部作用外載荷引起的，最大豎向位移為2.74 mm，沿著懸臂夾頭部分，位移向內(nèi)遞減。圓盤以及下部的加強(qiáng)板和滑道的位移較小，為0.9 mm［3-4］。由于整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的位移變化是相同的，如圖8所示。

圖8 升降臂豎向位移云圖

3.2 應(yīng)力

采用ANSYS有限元分析中，其應(yīng)力分析主要考慮拉、壓應(yīng)力，其彎曲應(yīng)力較小，暫不考慮。通過ANSYS有限元分析計(jì)算，得出升降臂結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力分布［5］，如圖9。

升降臂結(jié)構(gòu)的圓盤和滑道處的Mises應(yīng)力值很小，為11.978 Pa，如圖9a所示。但是，局部有應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在加強(qiáng)板和滑道的連接處，該應(yīng)力值為349 MPa，如圖9b所示。該應(yīng)力值超過了Q345鋼材的屈服強(qiáng)度345 MPa，主要是由于局部的應(yīng)力集中造成。在懸臂端與滑道的連接處最大應(yīng)力分布在懸臂板的上邊緣，該處應(yīng)力值較大，應(yīng)力值為310 MPa，小于Q345鋼材的屈服強(qiáng)度，但安全系數(shù)僅為1.02，如圖9c所示［6-8］。

圖9 升降臂的Mises應(yīng)力云圖

根據(jù)圖9的應(yīng)力集中情況，在滑道與懸臂板以及加強(qiáng)板3者之間增加箱體加強(qiáng)板，如圖10所示，據(jù)此改進(jìn)后加強(qiáng)板和滑道連接處應(yīng)力值由原來的349 MPa降為157 MPa，安全系數(shù)為2.2；懸臂板上邊緣的最大應(yīng)力值由原來的310 MPa降為205 MPa，安全系數(shù)為1.68。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)可以滿足工況安全要求。

圖10 改進(jìn)后升降臂的Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1） 通過ANSYS有限元分析，升降臂在外載荷作用下旋轉(zhuǎn)180°過程中的最大位移出現(xiàn)在懸臂夾頭的端部，最大豎向位移為2.74 mm。沿著懸臂夾頭部分，位移向內(nèi)遞減，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。

2） 由Mises應(yīng)力分析可知，升降臂的圓盤和滑道處的應(yīng)力值很小。在加強(qiáng)板和滑道的連接處、懸臂端與滑道的連接處的最大應(yīng)力均超過材料的屈服極限。通過增加加強(qiáng)筋，降低了升降臂的最大應(yīng)力，使鉆柱升降裝置滿足海洋作業(yè)的安全要求。

［1］ 何鴻.鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)化排放系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（9）：82-84.

［2］ 關(guān)云飛，高峰，趙維炳，等.ANSYS軟件中修正劍橋模型的二次開發(fā)［J］.巖土力學(xué)，2010，31（3）：976-980.

［3］ 卿前志.基于ANSYS平臺(tái)的橋梁時(shí)域顫振分析［J］.土木工程與管理學(xué)報(bào)，2011，28（4）：61-64.

［4］ GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.3版.北京：高等教育出版社，2002.

［6］ 謝娜娜，馬廷霞，劉國(guó)昊，等.自升式海洋平臺(tái)樁腿樁靴有限元分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（11）：32-38.

［7］ 潘韌堅(jiān)，張清輝，李柯，等.基于ANSYS的有限元方法在焊接熱效應(yīng)分析中的應(yīng)用［J］.焊接技術(shù)，2004，33（1）：6-8.

［8］ 李洛，周華，楊靜寧，等.鐵路隧道在高地應(yīng)力作用下的有限元分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（4）：85-88.

Analysis on Mechanical Behavior of Lifting-Arm in Pipe Racking System

To analyze the lifting-arm intensity of pipe racking system on offshore drilling platform，model units of solid45 with 8 nodes by using ANSYS was built，based on the reasonable steel material.Concentrated load is applied to the cantilever end to simulate its self-weight and external load，the analysis of vertical displacement and Mises stress analysis were carried out.According to the results of the analysis，plates are added on the connection of cantilever plate and slide，which can meet the safety load requirements.

drill stem；lifting-arm；stress analysis

TE923

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.017

1001-3482（2014）10-0073-04

2014-03-30

陳悅軍（1968-），男，四川廣安人，高級(jí)工程師，主要從事陸地、海洋鉆機(jī)的研制工作，E-mail：chenyuejun＠shlanbin.com。