超大型海上浮式基地柔性連接器設(shè)計及強度分析

朱璇，劉超，祁恩榮，王德禹（上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海0040；中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫408）

超大型海上浮式基地柔性連接器設(shè)計及強度分析

朱璇1，劉超2，祁恩榮2，王德禹1
（1上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海200240；2中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082）

超大型海上浮式基地（VLFB）連接器的設(shè)計是VLFB設(shè)計過程中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。文章采用Sesam/GeniE建立VLFB模塊水動力模型，計算出不同剛度連接器在4個海況下的最大載荷值，選取了合適的連接器剛度，并計算出此剛度下的連接器在5個海況下不同浪向角的連接器載荷，選取7級海況45°浪向角的載荷作為設(shè)計載荷值，提出了一種柔性連接器的設(shè)計方案，并用Abaqus建模進行非線性分析，結(jié)果表明方案符合設(shè)計要求，為VLFB連接器的設(shè)計提供了參考。

超大型浮體；柔性連接器設(shè)計；非線性；有限元

1 引言

隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展，我國所需的資源越來越依賴進口，海上運輸通道的暢通對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要。超大型海上浮式基地（VLFB）是一種尺度以公里計的海上浮式結(jié)構(gòu)物[1]，現(xiàn)在已成為海洋工程界的一個研究熱點。VLFB可以作為海上軍事基地，為各類直升機和固定翼飛機提供起降平臺、各種補給、導(dǎo)航以及維護，也可作為船只的深海?？扛酆脱a給站，使船只在遠離陸地的時候能夠進行補給。VLFB的這些功能使其具有巨大的軍用價值以及民用價值。

由于VLFB的尺度巨大，如果設(shè)計成為一個整體，那么結(jié)構(gòu)所受波浪載荷引起的結(jié)構(gòu)彎曲載荷將十分巨大，現(xiàn)有工程技術(shù)條件無法滿足。解決這個問題的方法是將結(jié)構(gòu)設(shè)計為多模塊連接的形式[2]，并允許模塊間某幾個自由度的相對位移，以此來達到減小結(jié)構(gòu)受力的目的。模塊之間的連接器的設(shè)計就成為超大型海上浮式基地設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)。

目前國內(nèi)關(guān)于連接器的研究一般采用線彈性彈簧模型來研究連接器的載荷[3-4]，對于連接器的具體形式研究還沒見到，本文根據(jù)已獲得的模塊連接器的剛度和載荷值，提出了一種柔性連接器的設(shè)計方案，為柔性連接器的設(shè)計研究提供了一種參考。

圖1 模型簡圖及坐標(biāo)示意圖Fig.1 Model and coordinates schematic diagram

2 連接器的載荷計算

本文中的VLFB采用剛性模塊柔性連接器模型(RMFC)，即認(rèn)為模塊為剛性的，連接器是柔性的，模型的變形全部發(fā)生在連接器上。模型由5個模塊和8個連接器組成。模塊分別用M1~M5表示，連接器分別用C1~C8表示。每個模塊的主尺度如下：上體長275m，寬120 m，高14 m；下體長270 m，寬30 m，高10m，橫向間距90m；支柱的直徑25m，高24 m，支柱間的橫向間距90 m，縱向間距67.5m。VLFB單模塊的設(shè)計吃水為21m，重心距離基線的垂向高為25m，設(shè)計排水量2.1×108kg，質(zhì)量慣性矩Ixx=5.392 4×1011kg·m2，Iyy=1.380 6×1012kg·m2，Izz=1.752 9×1012kg·m2。模型簡圖和坐標(biāo)如圖1所示。

每個模塊由1個上體、2個浮廂、8個立柱（每側(cè)各4個）構(gòu)成，且關(guān)于xioiyi平面和yioizi平面對稱。模塊之間用2個連接器連接，連接器位于模塊上體甲板處，關(guān)于xi軸對稱。連接器為線性彈簧模型，限制三個方向的線位移，允許三個方向上的角位移。

用Sesam/GeniE建立模塊水動力模型，圖2為模型的水動力網(wǎng)格。水動力計算采用的波浪譜為Bretschneider譜，Bretschneider譜密度表達式如下：

圖2 模型水動力網(wǎng)格Fig.2 Hydrodynamicmeshes ofmodel

式中：ω為入射波頻率，Hs為特征波高，Tp為譜峰周期。北太平洋7級海況的特征波高為7.5m，譜峰周期為13.8 s。短期預(yù)報為千分之一響應(yīng)均值。

本文中認(rèn)為連接器為線性彈簧模型，限制了模塊間相對線位移，允許模塊間相對角位移，因此連接器只承受線位移引起的力，而不用承受角位移引起的力矩。因為要求模塊間的橫向相對位移較小，所以選取的連接器橫向剛度都比較大。如何選擇出合理的連接器設(shè)計方案至關(guān)重要，為了充分說明剛度不同對連接器載荷的影響，選取了12種不同的連接器剛度，連接器剛度從小到大排列。為了方便比較，在下表中列出了連接器X、Y、Z方向的剛度值，連接器的選擇是從柔軟到堅硬。

表1 不同連接器剛度（N/m）Tab.1 Different connector stiffness（N/m）

通過計算，5-8級海況不同剛度連接器三個方向最大載荷值如圖3-6所示。

圖3 SS5下不同剛度連接器最大載荷（N）Fig.3 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss5(N)

圖4 SS6下不同剛度連接器最大載荷（N）Fig.4 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss6(N)

圖5 SS7下不同剛度連接器最大載荷（N）Fig.5 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss7(N)

圖6 SS8下不同剛度連接器最大載荷（N）Fig.6 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss8(N)

從圖3-6中可以看出，連接器的載荷值與連接器的剛度密切相關(guān)，特別是縱向載荷值的大小對連接器縱向剛度很敏感，總體趨勢是隨著剛度的增加，載荷值先增大后減小，隨后趨于平緩。K4剛度之前的連接器的載荷值較小，從K10剛度開始，連接器的載荷值變化不明顯。連接器的剛度選取中除了要考慮剛度對載荷的影響，還需要考慮剛度對連接器的變形以及VLFB模塊運動幅值的影響，K4剛度之前的連接器載荷雖然比較小，但是在對應(yīng)載荷作用下連接器的變形非常大，這對于VLFB日常運作的穩(wěn)定性會產(chǎn)生不利的影響，當(dāng)VLFB甲板作為飛機跑道時，對連接器的變形值要求更高。所以綜合考慮，本文選取K10剛度作為連接器設(shè)計的參考剛度。

在不同浪向角下，浮體的運動預(yù)報值和連接器載荷的預(yù)報值將有很大的不同。為了說明浪向角對連接器載荷的影響，本文比較了北太平洋5個不同海況下剛度為K10的連接器載荷在不同浪向角下的短期預(yù)報值。浪向角從0°開始，到90°結(jié)束，中間間隔為15°。以下圖例中SS4表示北太平洋4級海況，SS7表示為北太平洋7級海況。

圖7 不同浪向角下連接器最大縱向載荷Fig.7 Maximum longitudinal loads of connector under differentwave angles

圖8 不同浪向角下連接器最大橫向載荷Fig.8 Maximum transvers loads of connector under differentwave angles

圖9 不同浪向角下連接器最大垂向載荷Fig.9 Maximum vertical loads of connector under differentwave angles

從圖7-9可以看出，當(dāng)浪向角增加時，連接器載荷不斷增加。當(dāng)浪向角超過45°時，連接器載荷開始劇增。達到8級海況時，連接器的載荷劇烈增大，幾乎是6級海況下最大載荷的2倍。因此，海洋工程界一般建議VLFB有動力定位系統(tǒng)，使浪向角保持在45°以內(nèi)，并且在7級海況時斷開連接。

本文中的連接器的極限載荷選取7級海況、45°浪向角下的載荷，三個方向的載荷值如表2所示。

表2 連接器三個方向設(shè)計載荷值Tab.2 Design loads of connector in three directions

3 連接器的設(shè)計方案

本文中連接器采用高強度鋼和橡膠結(jié)合的方式，接頭采用鉸接式接頭。圖10中深色部分為橡膠材料，淺色部分為高強度鋼，兩種材料之間采用接觸的作用方式。柔性材料為橡膠，用橡膠來提供柔性功能和阻尼功能。

圖10 連接器示意圖Fig.10 Connector schematic diagram

橡膠作為一種典型的超彈性材料，它的本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，具有雙重的非線性。在大量的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，人們建立起來很多理論模型來描述橡膠的力學(xué)特征。本文中，橡膠材料采用Mooney-Rivlin模型[7]，Mooney-Rivlin模型是一個比較經(jīng)典的模型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學(xué)行為。其表達式為：

式中：I1，I2為Cauchy-Green偏應(yīng)變張量的第一不變量和第二不變量；J為橡膠變形后與變形前的體積比；C10和C01為材料常數(shù)，一般由實驗測定；D1表示材料的可壓縮性，0表示完全不可壓縮。

本文中的橡膠的參數(shù)取值為：

雖然橡膠幾乎是不可壓縮材料，但是，D1接近0時，計算時間很長，同時導(dǎo)致剛度矩陣病態(tài)，計算結(jié)果反而不好。所以D1不取為0，取ABAQUS默認(rèn)值0.007 681（相當(dāng)于泊松比為0.475）。

高強度鋼材料本構(gòu)采用理想彈塑性曲線，材料特性為：本文中接觸屬性的本構(gòu)關(guān)系采用庫倫摩擦模型：

其中：τ為切向（摩擦）應(yīng)力；μ為摩擦系數(shù)；p為接觸節(jié)點法向應(yīng)力；t為相對滑動速度方向上的切向單位向量。

該摩擦模型使用摩擦系數(shù)μ來表征在兩個接觸面之間的摩擦行為。默認(rèn)的摩擦系數(shù)為0，在表面拽力大到一個臨界剪應(yīng)力值之前，切向運動一直保持為零，根據(jù)上式，臨界剪應(yīng)力取決于法向接觸壓力。本文中橡膠與鋼板之間的摩擦系數(shù)取為0.5。

4 有限元分析

連接器在使用的過程中，涉及到橡膠的大變形、橡膠與鋼之間的的接觸和摩擦，同時具有幾何非線性和材料非線性，是一個非常復(fù)雜的物理過程。這都給有限元數(shù)值仿真求解帶來一定難度，對計算機提出了比較高的要求。ABAQUS是一種功能強大的基于有限元方法的工程模擬軟件[5]，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，模擬非常龐大的復(fù)雜的模型，處理高度非線性問題[6]。本文計算中使用ABAQUS/Standard模塊進行靜態(tài)求解。

圖11 連接器有限元模型示意圖Fig.11 FEM model of connector

圖12 位移邊界條件示意圖Fig.12 Boundary conditions of connector

連接器模型全部采用六面體網(wǎng)格，單元類型全部為八節(jié)點六面體減縮積分單元（C3D8R），高強度鋼構(gòu)件單元大小為100mm×100mm×100mm，橡膠構(gòu)件的單元大小為50mm×50mm×50mm。連接器的有限元模型如圖8所示。整個模型單元總數(shù)為180 426，節(jié)點總數(shù)為241 508。橡膠與高強度鋼之間采用面面接觸對，橡膠不與高強度鋼接觸的地方剛性固定，即U1=U2=U3=R1=R2=R3=0，如圖12所示。

連接器應(yīng)該在各個方向最大載荷的分別作用及共同作用下安全生存。集中力載荷轉(zhuǎn)換成壓強，載荷以壓強的形式加在連接器受力面上。由于連接器結(jié)構(gòu)的對稱性y向和z向載荷只要計算一個方向即可，所以連接器的載荷工況分為x向、y向、z向、-x向、xyz向和-xyz向六個工況。計算采用ABAQUS/ Static，General非線性計算，初始增量步選為1E-6。六個工況的最大應(yīng)力和鉸接孔中心位移如表3所示。

表3 連接器最大應(yīng)力和位移Tab.3 M aximum stress and displacement of connector

從表3可以看出，六個工況下連接器的最大Mises應(yīng)力都小于材料的屈服極限，強度滿足要求，其中xyz三向加載時應(yīng)力最大。連接器三個方向的剛度分別為：x向E11 N/m，y向E10 N/m，z向E10 N/m，剛度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文運用Sesam/GeniE建立VLFB模塊的水動力模型，計算出了不同剛度連接器的載荷，并選取了合適的連接器剛度參考值，計算出此剛度下連接器在不同海況不同浪向角下的載荷值，選取了7級海況45°浪向角下的載荷值作為設(shè)計載荷。根據(jù)選取的載荷值，提出了一種柔性連接器設(shè)計方案。通過運用非線性有限元軟件ABAQUS，建立了連接器的有限元模型，經(jīng)過計算，連接器的應(yīng)力和剛度滿足要求。本文在研究的過程中得出了以下經(jīng)驗：

（1）VLFB連接器的載荷與連接器的剛度密切相關(guān)，連接器的設(shè)計過程中應(yīng)選取合適的連接器剛度；

（2）7級海況以上時，連接器的載荷劇增，應(yīng)在7級海況時斷開連接，以此來保證結(jié)構(gòu)的安全；

（3）以橡膠和高強度鋼構(gòu)成的柔性連接器強度滿足要求，剛度符合設(shè)計值，是一種可行的連接器設(shè)計方案。

[1]Keith R M.Mobile offshore bases-an overview of recent research[C].InternationalWorkshop on Very Large Floating Structure,1996:69-76.

[2]王志軍,舒志,李潤培,楊建民.超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物概念設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].海洋工程,2001,19(1):1-6.

[3]余瀾,李潤培,舒志.移動式海上基地連接器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海洋工程,2003,21(1):60-66.

[4]余瀾,李潤培,舒志.移動式海上基地連接器的動力特征[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2003,37(8):1160-1163.

[5]王慎憑,劉北英.ABAQUS中的非線性模擬[J].機械制造與研究,2006,35(2):20-22.

[6]莊茁,由小川,廖劍暉等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:21-30.

[7]王偉,鄧濤,趙樹高.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定[J].特種橡膠制品,2004,25(4):8-10.

Design and finite element analysis for very large floating base connector

ZHU Xuan1,LIU Chao2,QIEn-rong2,WANG De-yu1
(1 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China; 2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

The design of Very Large Floating Base connector is a critical part in VLFB design process.In this paper,VLFBmodule hydrodynamicmodel is established by Sesam/GeniE.Themaximum load values of VLFB connectors of different stiffness in four different sea conditionswere calculated.The appropriate connector stiffnesswas selected and the loads of the connector in five sea conditions,in differentwave direction angle were calculated.The specific load in 7 level sea condition and in 45°wave angle was chosen as the design load for VLFB connector.A design of flexible connectorwas presented and a 3Dmodel of the connectorwas created,themodelwas nonlinearly analyzed by Abaqus finite elementmethod.The result shows that the designmeets the design requirements,which provides a reference for VLFB connector design.

Very Large Floating Base;design of flexible connector;nonlinearity;finite elementmethod

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.11.011

1007-7294（2014）11-1361-06

2014-08-30

朱璇（1990-），男，上海交通大學(xué)碩士研究生，E-mail：1025656169@qq.com；祁恩榮（1965-），男，中國船舶科學(xué)研究中心研究員。