海洋平臺折臂抓管機多工況參數(shù)化結構分析

喬曉鋒，欒 蘇，粟 京，袁 潔，惠曉英，王學義，宋志剛

海洋平臺折臂抓管機多工況參數(shù)化結構分析

喬曉鋒1，欒 蘇1，粟 京2，袁 潔3，惠曉英3，王學義1，宋志剛1

（1.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002；2.中國海洋石油總公司，北京100027；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002）

在ANSYS WORKBENCH環(huán)境下對海洋平臺抓管機進行整體參數(shù)化建模，通過改變主臂、折臂的工作角度，獲得多工況下折臂抓管機的工作姿態(tài)。在進行結構分析時，對任一工作半徑下折臂抓管機垂直起吊路徑進行工況抽樣，考慮環(huán)境載荷、吊臂自重、額定工作載荷，對折臂抓管機整體進行有限元強度分析，獲得多工況下關鍵零件及關鍵節(jié)點的應力應變分析結果。實現(xiàn)了折臂抓管機整體強度分析的快速高效計算。

海洋平臺；折臂抓管機；多工況；參數(shù)化；結構分析；整體強度

隨著對深水及超深水海域的勘探開發(fā)，越來越多的深水鉆機管子處理系統(tǒng)逐步應用于半潛式鉆井平臺及鉆井船［1］。折臂抓管機作為鉆機管子處理系統(tǒng)的關鍵設備，主要用于貓道和管子堆場之間的各類鉆桿、套管的起吊運輸工作，屬于起重設備。折臂抓管機通常由基座、臺體、主臂、折臂、伸縮臂、吊爪及液缸組成，如圖1所示。工作時具有多自由度控制、運行靈活等特點。設計計算時需考慮不同工況下，折臂抓管機在何種姿態(tài)下，關鍵零件和關鍵節(jié)點會產(chǎn)生最大的應力和應變。

圖1 折臂抓管機

為了簡化控制程序，折臂抓管機的工作特性曲線是工作半徑區(qū)間內(nèi)的分段函數(shù)，表示在不同工作半徑下折臂抓管機能夠起吊的額定載荷值，如圖2所示。

圖2 工作特性曲線

在對抓管機進行設計計算時，通常選取若干典型工況，進行理論計算，再將計算結果作為輸入條件分別加載至各零部件上，求出應力和應變。如針對圖2的工作特性曲線，在不同工作半徑下抽取一處位置作為抽樣計算點，整個工作范圍內(nèi)的抽取計算點較少。這種方法的缺點是工作量大，具體抽樣點的選取基本依賴工程師的經(jīng)驗水平，可靠性不高。在鉆井船、半潛式平臺等非固定平臺上安裝的折臂抓管機長期在海上作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，需要考慮多種外界環(huán)境載荷，如船舶、平臺隨波浪運動產(chǎn)生的垂直和水平方向上的加速度載荷、風載等［2］。若采用手工計算方法，周期長，效率低，難以滿足設計計算需求。

計算機輔助設計（CAE）仿真技術的日益成熟使得大量、重復性計算工作變得簡單。本文根據(jù)折臂抓管機的工作特性，以ANSYS WORKBENCH軟件為計算環(huán)境，將其主臂工作角度（相對水平面）、折臂工作角度（相對于主臂）和不同工作半徑下的額定起吊載荷作為變動參數(shù)，在建模及計算加載邊界條件時對其參數(shù)化，分析時只需改動相應的參數(shù)，便可獲得多工況下折臂抓管機整體的靜態(tài)強度計算結果。

1 折臂抓管機參數(shù)化建模

1.1 模型簡化

折臂抓管機上的零部件和緊固件較多，在靜態(tài)結構分析時應將這些細小的部件簡化，只保留主體結構。例如，各臂的組焊鋼板、加強筋板、加強型鋼等。去除臺體上的控制房等附件，以回轉支承以上的部分為計算的重點，因此不考慮基座的建模。在WORKBENCH中的DESIGN MODEL模塊下，各類鋼板用殼單元建模，加強角鋼和液缸采用梁單元建模。建模后整體質(zhì)量與實體不能有太大差異，否則應考慮在忽略的較重部件處添加質(zhì)量點，以保證計算的準確性。

1.2 參數(shù)化建模與網(wǎng)格劃分

事先選定的3個參數(shù)中，主臂、折臂的工作角度在建模時需要體現(xiàn)。基座與平臺甲板是固定的，主臂與臺體屬于鉸接運動副，而折臂與主臂之間為鉸接關系，伸縮臂與折臂為移動副關系，因此，建模順序為：臺體、主臂、折臂、伸縮臂。建模時要選取合適參照，以保證改變相應參數(shù)后，模型整體隨之改變。如此便可獲得如圖3所示的折臂抓管機工作范圍內(nèi)任意點的工作姿態(tài)。

圖3 折臂抓管機工作范圍

根據(jù)上述建模原則建立模型后，只需改變主臂工作角度和折臂工作角度，便可得到折臂抓管機工作范圍內(nèi)的任意姿態(tài)。最終的參數(shù)化折臂抓管機實體模型結果如圖4所示。

圖4 WORKBENCH下折臂抓管機參數(shù)化實體模型

2 折臂抓管機整體結構分析

2.1 載荷與約束的施加

在無遮蔽海域的半潛式平臺上，折臂抓管機起吊重物時所承受的載荷較為復雜、類型多，且環(huán)境載荷的方向是不確定的。根據(jù)中國船級社《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》及API Specification 2C的規(guī)定，折臂抓管機在標準作業(yè)工況下將會受到以下載荷［3-4］：

1） 自重載荷 重力加速度下，折臂抓管機自重產(chǎn)生的載荷施加于整體各個零部件，WORKBENCH下可用Standard Earth Gravity或Acceleration以加速度場的形式整體施加于整個模型。

2） 靜態(tài)傾斜載荷 折臂抓管機由于平臺或船舶自身傾角及安裝誤差，存在靜態(tài)傾斜，會產(chǎn)生側向載荷。此載荷與重力相關，因此也可用一定的系數(shù)作為加速度場施加于整個模型。

3） 重物載荷 折臂抓管機在起吊重物時產(chǎn)生的載荷，應考慮起吊作業(yè)系數(shù)。施加于折臂抓管機伸縮臂的頂部，針對不同工作半徑下的額定載荷，可設為變動參數(shù)。

4） 平臺或船舶運動載荷 在半潛平臺上，海浪引起平臺在垂直和水平上的瞬態(tài)最大加速度也會使折臂抓管機受到額外的力。垂直和水平加速度可依據(jù)API 2C規(guī)范中的公式近似計算得到。作為加速度場施加給整個模型，并將計算后重物產(chǎn)生的相應載荷施加于伸縮臂頂端。

5） 風載荷 設計風速為vf＝20 m／s，風壓采用q＝0.613×v2f計算。風載的方向是不確定的，應按最不利于關鍵零部件受力的方向施加。

整體模型下各部件之間的連接默認為剛性連接，計算時不符合實際情況，應添加對應的運動副約束各部件間的相對運動。各部件間的約束關系如表1所示。

表1 各部件之間的運動副和約束關系

2.2 工況抽樣

由于在不同工作半徑下，折臂抓管機的額定起吊載荷不同，因此不能通過簡單的抽樣方式來隨機抽取若干工況。根據(jù)折臂抓管機工作時吊爪的移動特性，選取某一工作半徑下，在主臂液缸和折臂液缸工作行程內(nèi)，吊爪從最低處起升至最高處的運動路徑，在此路徑上依次進行抽樣，利用有限元計算分析后，通過觀測運動副處的受力，繪制出力的變化趨勢，從而判斷出最惡劣的受力工況姿態(tài)。

此計算過程拓展至整個工作區(qū)間，仍采用抽樣方式，對不同工作半徑下的折臂抓管機受力進行強度分析計算，便可獲得較為全面的多工況下的計算結果。

2.3 計算結果與分析

首先根據(jù)計算結果，判斷各力的變化情況。選取工作半徑17.5 m、額定載荷90 k N情況下，幾個關鍵節(jié)點的受力：主臂與臺體鉸點、主臂與主臂液缸鉸點、主臂與折臂鉸點、主臂與折臂液缸鉸點。以主臂轉動角度（主臂液缸行程）作為主變量，吊爪從最低點運動至最高點時，各節(jié)點的受力變化曲線如圖5～8所示。

圖5 起升時主臂與臺體鉸點力變化曲線

圖6 起升時主臂與主液缸鉸點力變化曲線

圖7 起升時主臂與折臂鉸點力變化曲線

圖8 起升時主臂與折臂液缸鉸點力變化曲線

根據(jù)各力的變化曲線可以得出結論：在當前工作半徑（17.5 m）下，上述關鍵節(jié)點的受力大體上隨著吊爪起升高度的升高而變大。即折臂抓管機整體受力最惡劣的工況在當前半徑下的最高起升點。其對應的主臂轉角為61°，主臂和折臂間的夾角為74°。以此位置作計算點，比較有限元結果與按照API 2C規(guī)范的計算結果，如表2所示。需注意對不同部件而言，引起最大受力的環(huán)境載荷的方向是不同的［5］，因此表2中給出的值是在不同環(huán)境載荷方向下各節(jié)點的最大值，與圖5～8中的最大值并不是完全一一對應相等的。

表2 有限元結果與按照API 2C規(guī)范計算比較

對比發(fā)現(xiàn)有限元結果與按照API 2C規(guī)范的計算值是基本相符的。對應最大受力位置點的整體位移圖和應力圖分別如圖9～10所示。

圖9 折臂抓管機整體位移

圖10 折臂抓管機整體應力

通過整體位移云圖可判斷折臂抓管機的整體剛度是否達到設計使用要求。當伸縮臂頂部位移值超過許用值時，應考慮提高主臂和折臂的剛度。

從整體應力云圖可以查看主臂與臺體鉸點、主臂與主臂液缸鉸點、主臂與折臂鉸點、主臂與折臂液缸鉸點4處關鍵節(jié)點處的放大應力分布情況，如圖11～14所示。

圖11 主臂與臺體鉸點應力分布

圖12 主臂與主臂液缸鉸點應力分布

圖13 主臂與折臂鉸點應力分布

圖14 主臂與折臂液缸鉸點應力分布

依據(jù)上述方法，對折臂抓管機工作半徑區(qū)間3～25 m范圍內(nèi)進行均勻抽樣計算，可以發(fā)現(xiàn)折臂抓管機工作在17.5 m、90 k N、起升至最大高度時，主臂與臺體鉸點、主臂與主臂液缸鉸點的力達到最大；而主臂與折臂鉸點、主臂與折臂液缸鉸點的力在折臂抓管機工作至23.5 m、55 k N、最大起升高度時達到最大值，若采用傳統(tǒng)方法，依據(jù)折臂抓管機工作特性曲線選取抽樣點來計算，將會遺漏此工作姿態(tài)的計算。

根據(jù)計算結果，可對相應的關鍵零部件進行設計更改，如通過改變厚度提高板材的強度；調(diào)整加強筋板的數(shù)量；對于非關鍵零部件，可通過優(yōu)化設計，在保證強度的前提下，減輕折臂抓管機整機質(zhì)量，提高其在工程應用中的價值。

3 結論

1） 通過參數(shù)化折臂抓管機主臂和折臂的工作角度獲得任意姿態(tài)下折臂抓管機的實體模型，避免了手工計算時對折臂抓管機在不同姿態(tài)下的放樣測量，簡化了計算前期的數(shù)據(jù)收集工作。對折臂抓管機多工況的抽樣覆蓋較為全面，并可視計算機配置情況進一步提高抽樣點數(shù)量，與手工計算相比效率更高。

2） 將折臂抓管機作為一個整體進行結構分析，既可獲得關鍵零部件應力應變結果，又可獲得各部件之間的相互作用力，可作為關鍵部件（如液缸、回轉支承）選型計算的依據(jù)。當折臂抓管機用戶能夠提供詳細作業(yè)海域的波浪載荷譜（加速度—時間歷程）時，該模型還可實現(xiàn)動態(tài)分析、模態(tài)和隨機振動分析，以獲得動態(tài)環(huán)境下折臂抓管機的強度計算結果。

3） 基于ANSYS WORKBENCH將折臂抓管機的設計過程集成化，可實現(xiàn)初步模型設計—初步強度校核—局部設計更改—整機優(yōu)化設計的過程，使折臂抓管機的設計計算過程更為簡便和高效。

［1］ 崔學政，張富強，肖文生，等.海洋鉆井平臺折臂起重機設計［J］.石油礦場機械，2009，38（11）：28-31.

［2］ 王晟.海洋風浪載荷對7500t浮式起重機結構強度影響分析［J］.起重運輸機械，2009（12）：50-54.

［3］ Offshore Pedestal-mounted Cranes.API SPECIFICATION 2C SEVENTH EDITION［S］，2012.

［4］ 船舶與海上設施起重設備規(guī)范［S］.中國船級社，2008.

［5］ GB／T3811—2008，起重機設計規(guī)范［S］.

Parameterized Structural Analysis of Multi-attitudes for Offshore Platform Knuckle Boom Pipe Crane

QIAO Xiao-feng1，LUAN Su1，SU Jing2，YUAN Jie3，HUI Xiao-ying3，WANG Xue-yi1，SONG Zhi-gang1
（1.National Oil and Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center，Baoji 721002，China；2.CNOOC，Beijing 100027，China；3.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

Parameterized-model was established for the whole knuckle boom pipe crane of offshore platform by ANSYS WORKBENCH，and multi-attitudes was obtained by changing the boom and knuckle boom lifting angle.During the analysis of structure，some attitudes of the knuckle boom pipe crane on any lifting radius were sampled to calculate entire strength by considering environmental loads，boom weight，rating load to achieve stress and strain results of all key parts and nodes by finite element analysis.A quick-efficient analysis of entire strength for knuckle boom pipe crane was achieved.

offshore platform；knuckle boom pipe crane；multi-attitudes；parameterized；structural analysis；entire strength

TE951

A

1001-3482（2014）03-0052-05

2013-09-16

國家科技重大專項“深水半潛式鉆井平臺及配套技術”子課題“深水鉆機管子處理系統(tǒng)關鍵設備研制”（2011ZX05027-001-06）

喬曉鋒（1978-），男，陜西富平人，工程師，主要從事石油鉆機管子處理系統(tǒng)研究，E-mail：2002qiaofeng＠163.com。