軟管安裝管卡的夾持力分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

謝俊++鄧相紅+岳劍鋒+林臻裕+陳達(dá)勝

摘要： 為縮短軟管管卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期并降低成本，建立軟管及管卡的三維模型和有限元模型，用Abaqus求解管卡夾持力與軟管和管卡之間相對(duì)位移的關(guān)系.抽拉試驗(yàn)表明仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.該仿真分析方法可以為今后的管卡設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞：

軟管； 管卡； 夾持力； 相對(duì)位移； 抽拉試驗(yàn)； 有限元； 設(shè)計(jì)周期

中圖分類(lèi)號(hào)： TE53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

海纜、臍帶纜和軟管是海上平臺(tái)與平臺(tái)，平臺(tái)與FPSO之間電力、控制信號(hào)、通信及油氣等傳遞的重要載體.鋪設(shè)開(kāi)始前和結(jié)束后，需要分別將其兩端抽拉上平臺(tái)進(jìn)行永久錨固，但是在施工過(guò)程中，通常采用管卡對(duì)其進(jìn)行臨時(shí)錨固以完成抽拉工作和保證永久錨固工作的順利進(jìn)行.[1]

在實(shí)際工程中，根據(jù)海纜、臍帶纜和軟管等的外形尺寸，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和尺寸的管卡.一般做法是：根據(jù)需要提供的抽拉力大小，基于庫(kù)侖摩擦理論初步估算所需管卡夾持力的大??；參照以往管卡結(jié)構(gòu)形式，完成管卡初步設(shè)計(jì)；然后，通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)，觀察管卡夾持效果，修改管卡結(jié)構(gòu)；經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)及修改結(jié)構(gòu)，最終確定管卡結(jié)構(gòu)尺寸.這種基于庫(kù)侖摩擦理論的估算方法，無(wú)法考慮構(gòu)件之間的相對(duì)變形，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)管卡夾持力的準(zhǔn)確估計(jì)，在管卡設(shè)計(jì)過(guò)程中需要投入大量的人力和物力，產(chǎn)生較高的資金和時(shí)間成本.本文通過(guò)建立管卡和軟管有限元模型并求解計(jì)算，然后與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，為管卡設(shè)計(jì)提供有效的技術(shù)指導(dǎo)，減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)約成本.

1 管卡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)管卡的抱緊作用要求，利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E建模[2]，設(shè)計(jì)的管卡結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.由2個(gè)半圓板通過(guò)螺栓抱緊軟管，在半圓板的內(nèi)表面貼一層膠皮，以保護(hù)軟管并增大摩擦因數(shù).

2 有限元模型和邊界條件

2.1 管卡和軟管有限元建模

將三維設(shè)計(jì)軟件建立的實(shí)體模型導(dǎo)入有限元軟件HyperMesh中進(jìn)行前處理[3]，選擇的模塊為Abaqus/Standard3D.對(duì)管卡和軟管劃分網(wǎng)格，見(jiàn)圖2.模型中單元尺寸約為10 mm，共包含278 790個(gè)節(jié)點(diǎn)，194 800個(gè)單元.此模型分析類(lèi)型為接觸分析，所有單元均采用六面體單元，單元類(lèi)型為非協(xié)調(diào)單元C3D8I.非協(xié)調(diào)單元C3D8I是常規(guī)六面體單元C3D8修改而來(lái)的，具有較好的彎曲行為，能夠消除剪應(yīng)力.由于非協(xié)調(diào)效應(yīng)，C3D8I單元內(nèi)部增加額外的自由度，使其能消除在彎曲中因?yàn)椴此尚?yīng)產(chǎn)生的僵硬.[4]管卡（除膠皮和軟管外）的材質(zhì)為鋼Q235B，屈服強(qiáng)度為235 MPa.[5-6]

2.2 螺栓連接處理

管卡中共有22處螺栓連接，采用connectors中的bolt單元模擬螺栓連接，其主要思想是用2組剛性單元COUP_KIN分別連接2個(gè)被連接件的內(nèi)孔節(jié)點(diǎn)，然后再用梁?jiǎn)卧B接2組COUP_KIN的中心節(jié)點(diǎn)，即B31單元.[7]

2.3 接觸的追蹤方式和處理

2.3.1 接觸的追蹤方式

Abaqus/Standard提供2種接觸的追蹤方式計(jì)算接觸表面之間的相對(duì)滑移：有限滑移和小滑移.

（1）有限滑移.

有限滑移的節(jié)點(diǎn)位置更新以主面的真實(shí)形狀來(lái)反映.當(dāng)接觸約束產(chǎn)生時(shí)，從面節(jié)點(diǎn)將被約束在沿主面形狀的路徑上滑移，無(wú)論其方向與形狀是否改變，允許相互接觸的部件大變形、轉(zhuǎn)動(dòng)和大位移滑動(dòng).[8]

（2）小滑移.

小滑移追蹤方式示意見(jiàn)圖4.假定從面節(jié)點(diǎn)的位移相對(duì)于主面的局部曲率而言比較小，采用主面上相對(duì)應(yīng)于從面節(jié)點(diǎn)的近似平面代表主面來(lái)更新節(jié)點(diǎn)位置.每個(gè)從面節(jié)點(diǎn)與自己的滑移面接觸相互作用，數(shù)值計(jì)算更有效，但使用上有局限性，必須確定切向位移足夠小才可滿足其假設(shè).小滑移方式只適用于接觸對(duì)定義.

2.3.2 管卡與軟管接觸處理

在螺栓預(yù)緊力的作用下，管卡壓緊軟管；在拉力作用下，管卡與軟管產(chǎn)生摩擦力，用于抵抗拉力的作用.

管卡與軟管之間存在相對(duì)滑移，在其間建立接觸對(duì)，形式設(shè)置為面面接觸，滑移類(lèi)型為有限滑移，摩擦因數(shù)取0.1[9].

2.4 邊界條件和載荷施加

在HyperMesh中處理完網(wǎng)格、材料屬性、螺栓連接及接觸后，再導(dǎo)入到Abaqus中定義邊界條件和施加載荷.

在軟管一端進(jìn)行約束，約束6個(gè)自由度：U1，U2，U3，UR1，UR2，UR3，見(jiàn)圖5.

計(jì)算模型的載荷為螺栓預(yù)緊力和拖拉力.在求解過(guò)程中，拖拉力可能超過(guò)管卡與軟管之間的摩擦力，產(chǎn)生滑移，采用隱式求解方法，進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)求解.

拖拉力的施加分3步進(jìn)行，第一步載荷大小為1.2×104 kg，第二步載荷大小為1.5×104 kg，第三步載荷大小為2.0×104 kg，均為斜坡加載.

在拖拉力載荷施加之前，先加載螺栓預(yù)緊力，通過(guò)改變螺栓預(yù)緊力大小實(shí)現(xiàn).在拖拉力施加的載荷步中，預(yù)緊力的施加通過(guò)保持螺栓長(zhǎng)度不發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，符合螺栓的實(shí)際受力情況.

螺栓預(yù)緊力大小根據(jù)公式T=K×F×d[10]求得，其中K為擰緊力矩因數(shù)，F(xiàn)為螺栓預(yù)緊力，d為螺紋的公稱(chēng)直徑，T為扭矩.

為更好地與試驗(yàn)拖拉力的大小和方向相符，通過(guò)剛性單元COUP_KIN連接拖拉板孔上的節(jié)點(diǎn)，在COUP_KIN單元的主節(jié)點(diǎn)上施加拖拉力（見(jiàn)圖5），施加的預(yù)緊力大小與拖拉力大小見(jiàn)表1.

在載荷步中設(shè)置初始載荷為0.01 N，使得接觸緩慢進(jìn)行，以便求解收斂.設(shè)置好邊界條件和載荷后，使用Abaqus求解器進(jìn)行求解計(jì)算.

3 模擬抽拉試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需軟管、管卡、螺栓、導(dǎo)鏈、吊帶、卸扣和測(cè)力計(jì)等.在試驗(yàn)中，通過(guò)螺栓預(yù)緊將2個(gè)管卡抱緊軟管，其中一個(gè)管卡經(jīng)由吊帶和卸扣固定在地面吊耳結(jié)構(gòu)上（見(jiàn)圖6），另一個(gè)管卡通過(guò)吊帶和卸扣與測(cè)力計(jì)相連，再由導(dǎo)鏈固定在某處結(jié)構(gòu)上.試驗(yàn)前，在管卡與軟管接觸端部噴上白漆，方便后期測(cè)量管卡與軟管的滑動(dòng)情況.在試驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)鏈長(zhǎng)度使得吊帶張緊，待測(cè)力計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定一段時(shí)間后，讀取其數(shù)值；同時(shí)，測(cè)量此時(shí)管卡與軟管的相對(duì)滑動(dòng)情況.螺栓的直徑為30 mm，使用扭矩扳手進(jìn)行擰緊，設(shè)計(jì)安裝扭矩為150 N·m.試驗(yàn)用的拖拉力分別為1.2×104 kg，1.5×104 kg和1.8×104 kg.

4 結(jié)果分析和試驗(yàn)對(duì)比

4.1 應(yīng)力結(jié)果分析

加載螺栓預(yù)緊力及最大拖拉力的應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)圖7，最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在螺栓附近和加載區(qū)附近，分別為34.7和42.4 MPa.最大等效應(yīng)力均小于屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求.

4.2 計(jì)算分析和試驗(yàn)變形結(jié)果分析

在試驗(yàn)中，當(dāng)導(dǎo)鏈張緊力達(dá)到一定程度的時(shí)候，軟管、管卡和索具等變形，系統(tǒng)出現(xiàn)松弛，測(cè)力計(jì)讀數(shù)緩慢減小.在試驗(yàn)操作時(shí)，在測(cè)力計(jì)讀數(shù)減小的同時(shí)，人工張緊導(dǎo)鏈，使得測(cè)力計(jì)達(dá)到試驗(yàn)的數(shù)值，盡量減小試驗(yàn)誤差.試驗(yàn)測(cè)量的距離為沿軟管軸向方向軟管與管卡的相對(duì)滑移距離，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2中：當(dāng)拖拉力為1.2×104和1.5×104 kg時(shí)，未出現(xiàn)相對(duì)滑移；隨著拖拉力的增大，在拖拉力為1.8×104 kg時(shí)，產(chǎn)生的相對(duì)滑移值為15 mm.由試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)滑移的拖拉力為1.5×104～1.8×104 kg，故取此管卡安全拖拉力為1.5×104 kg.

為使計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)具有對(duì)比性，取計(jì)算結(jié)果中沿軟管方向軟管和管卡的位移相減，即為軟管與管卡的相對(duì)滑動(dòng)距離.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8.當(dāng)時(shí)間到3.25 s時(shí)，相對(duì)滑移值開(kāi)始急速增長(zhǎng)，說(shuō)明此時(shí)拉力剛好克服軟管與管卡之間的摩擦力.根據(jù)載荷的加載曲線，此時(shí)對(duì)應(yīng)的拖拉力載荷為159 kN，即1.625×104 kg.

從試驗(yàn)結(jié)果中得知，軟管與管卡產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的臨界拖拉力為1.5×104～1.8×104 kg，計(jì)算結(jié)果為1.625×104 kg，由于試驗(yàn)的摩擦因數(shù)及操作與計(jì)算工況存在一定誤差，因此可認(rèn)為在誤差允許范圍內(nèi)，即計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合.在試驗(yàn)中，拖拉力為1.8×104 kg時(shí)，相對(duì)位移為15 mm，而計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于15 mm.在試驗(yàn)中，當(dāng)導(dǎo)鏈張緊到1.8×104 kg時(shí)，軟管與管卡變形，數(shù)值瞬間減小，而計(jì)算中則是維持恒定的力，故數(shù)值相差較大.

從有限元分析與試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，管卡的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，在誤差范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，達(dá)到數(shù)值模擬試驗(yàn)的目的，為今后的管卡設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo).

5 結(jié) 論

本文以實(shí)際工程項(xiàng)目中的管卡與軟管為例，進(jìn)行拉力試驗(yàn)，測(cè)量滑移情況；同時(shí)，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)論如下.

（1）運(yùn)用HyperMesh對(duì)管卡及軟管建立有限元模型，得到高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，同時(shí)，使用bolt連接單元，使得模型真實(shí)合理，計(jì)算精度比較高.

（2）Abaqus在求解接觸問(wèn)題上具有一定優(yōu)勢(shì)，并可以施加螺栓預(yù)緊力，可以滿足本文所描述工程問(wèn)題的求解要求.

（3）對(duì)比有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，與試驗(yàn)吻合度較高.計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，使計(jì)算結(jié)果更加可靠.

（4）本文所描述的有限元法可用于此類(lèi)管卡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)約試驗(yàn)成本，實(shí)現(xiàn)有限元分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的思想.

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