一種軟剛臂單點(diǎn)系泊腿萬向節(jié)的數(shù)值計(jì)算方法

，，，，

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

我國(guó)渤海海域有多艘FPSO單點(diǎn)系泊裝置，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)主要由SOFEC、SBM、APL、Bluewater等幾家公司壟斷[1]，其中軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置在世界范圍內(nèi)主要針對(duì)我國(guó)渤海海況設(shè)計(jì)制造，所以每次進(jìn)口都需要支付大額費(fèi)用，且系泊裝置在服役階段多次出現(xiàn)故障，在故障診斷和維修過程中也為國(guó)外單點(diǎn)系泊公司提供了大量工程案例經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步促進(jìn)了其技術(shù)發(fā)展及壟斷。所以，開展單點(diǎn)系泊裝置的自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)系泊裝置的國(guó)產(chǎn)化，建立一條完整的單點(diǎn)系泊裝置生產(chǎn)鏈，在填補(bǔ)技術(shù)空白，打破國(guó)外壟斷，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，增強(qiáng)國(guó)家影響力等方面具有巨大的積極作用。為此，依據(jù)軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置相關(guān)資料，結(jié)合水動(dòng)力和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)，分析軟剛臂系統(tǒng)中系泊腿萬向節(jié)關(guān)鍵連接件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，初步確定萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)尺寸及材料，為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步設(shè)計(jì)制造提供參考。

1 萬向節(jié)力學(xué)分析

1.1 系泊腿受力分析

圖1 系泊腿受力分析

圖1中，F(xiàn)數(shù)值取決于系泊腿鉸接點(diǎn)系泊力計(jì)算結(jié)果。系泊腿主要作為拉桿承受軸向拉力連接系泊支架與系泊剛臂，在系泊腿受力分析中，兩端鉸接點(diǎn)Fx、Fy、Fz三個(gè)方向的力分別延軸向和垂直于軸向分解，沿軸向分力F軸主要影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)兩端軸向力差值產(chǎn)生軸向加速度，沿垂直于軸向的分力F⊥軸主要作用系泊腿使其產(chǎn)生角加速度及加速度。故系泊腿強(qiáng)度分析中，簡(jiǎn)化處理為考慮兩端較大軸向力作為拉升作用力加載，忽略垂直于軸向的分力，得到整體應(yīng)力分布結(jié)果。萬向節(jié)的F取值類似，取軸向拉力作為載荷，同時(shí)結(jié)合萬向節(jié)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)，得出θx、θy、θz與水動(dòng)力模型提取數(shù)據(jù)Rx、Ry關(guān)系及Fx、Fy、Fz沿系泊腿軸向合力公式。

圖2 萬向節(jié)靜強(qiáng)度分析流程

根據(jù)水動(dòng)力系泊力計(jì)算結(jié)果提取系泊腿鉸接點(diǎn)Fx、Fy、Fz數(shù)值，可以得出系泊腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算輸入數(shù)據(jù)。

1.2 萬向節(jié)載荷分析

系泊腿萬向節(jié)采用U型聯(lián)接器將兩根銷軸空間垂直布置的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的十字軸萬向節(jié)，解決了安裝困難，符合系泊腿受軸向力狀態(tài)的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)聯(lián)接問題[3- 4]。其中，萬向節(jié)由U型聯(lián)接器和兩根內(nèi)徑相同而長(zhǎng)度不同的銷軸及徑向、止推軸承組成，F(xiàn)即系泊腿軸向力F合。在風(fēng)浪流作用下，平臺(tái)船體與軟剛臂系統(tǒng)相互耦合，其運(yùn)動(dòng)和受力極為復(fù)雜，系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)均以船體運(yùn)動(dòng)和系泊力作為設(shè)計(jì)輸入。CCS《海上單點(diǎn)系泊裝置入級(jí)與建造規(guī)范》中比較詳細(xì)地介紹了準(zhǔn)靜態(tài)系泊力計(jì)算方法，為了進(jìn)一步提高系泊力計(jì)算準(zhǔn)確性，計(jì)算中利用ANSYS- AQWA商業(yè)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域耦合計(jì)算，得到單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的系泊力?？紤]水動(dòng)力計(jì)算工況分為落潮、零水位、漲潮，且系泊腿有上下兩個(gè)萬向節(jié)[5]，處理數(shù)據(jù)得到不同工況中上、下萬向節(jié)系泊力曲線。180°風(fēng)浪流同向落潮、零水位及漲潮3種工況下的萬向節(jié)系泊力見圖3。

圖3 3種工況下的萬向節(jié)系泊力

從圖3可以看出，萬向節(jié)受力最大為漲潮時(shí)工況，系泊力最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)為t=2.9 h。通過水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，以船體位移作為為軟剛臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析輸入載荷，得到具體部件的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，將其作為萬向節(jié)靜力學(xué)輸入載荷，進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。動(dòng)力學(xué)的通用運(yùn)動(dòng)方程為

式中：M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；C為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；F為隨時(shí)間變化的載荷函數(shù)。

考慮到動(dòng)力學(xué)方程有顯式或隱式兩種求解方法，而顯示動(dòng)力學(xué)一般用于頻率較高的問題求解，且其步長(zhǎng)無法控制，結(jié)合萬向節(jié)來回低頻擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，此處軟剛臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析主要采用剛體動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行求解計(jì)算，其在Rigid Dynamic中的模型見圖4。

圖4 軟剛臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2 系泊腿萬向節(jié)建模

目前單點(diǎn)系泊裝置上采用的萬向節(jié)結(jié)構(gòu)型式主要為系泊腿萬向節(jié)的非標(biāo)結(jié)構(gòu)，其主要功能為連接系泊腿上下部件，能有效地傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，承受沿系泊腿的軸向拉力[5- 6]。其結(jié)構(gòu)主要由兩根銷軸、U型聯(lián)接器及相應(yīng)的軸承組成，本文主要研究銷軸及U型聯(lián)接器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用CATIA軟件裝配三維模型，見圖5。

關(guān)于后者，他以“書法環(huán)境——類型學(xué)”為工具，將其推進(jìn)到了新的境界。賴非一直認(rèn)為，做研究也好、搞創(chuàng)作也罷，一定要具有現(xiàn)代意識(shí)體現(xiàn)時(shí)代精神?！皶ōh(huán)境——類型學(xué)”是賴非在老祖宗的整體性和現(xiàn)代人的系統(tǒng)論、控制論和信息論基礎(chǔ)上，對(duì)書法史自身的運(yùn)動(dòng)機(jī)制構(gòu)建的方法論模型。書法史不再是單個(gè)作品和作者的集合，而是與環(huán)境保持著極為密切關(guān)系的、運(yùn)動(dòng)著的漢字——書法整體。因?yàn)檫@一具有時(shí)代精神的學(xué)術(shù)理論，山東的石刻、墓志、鏡銘等等研究，都取得了突破性的進(jìn)展。

圖5 系泊腿萬向節(jié)模型

3 系泊腿萬向節(jié)計(jì)算分析

3.1 U型聯(lián)接器強(qiáng)度計(jì)算

3.1.1 材料性能

在功能及受力特點(diǎn)上，系泊腿萬向節(jié)與傳統(tǒng)重載軋機(jī)所用十字軸式萬向節(jié)類似，參考文獻(xiàn)《重載十字軸式萬向聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化》和JB/T 10189- 2010《滾動(dòng)軸承汽車用等速萬向節(jié)及其總成》、GB- T 3077- 1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》及《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》等規(guī)范內(nèi)容，材料初步取用如下：銷軸采用40Cr，萬向節(jié)聯(lián)接器采用42CrMo材料，滑動(dòng)軸承材料采用銅基合金[7- 8]。

各部件材料力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料性能

3.1.2 U型聯(lián)接器有限元建模

1)實(shí)體模型及網(wǎng)格劃分。實(shí)體模型如圖6所示。有限元分析采用Ansys workbench軟件Static Structural模塊，導(dǎo)入Catia實(shí)體模型，建立相應(yīng)的材料參數(shù)，模型采用實(shí)體單元來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格由四面體與六面體構(gòu)成，共27 076個(gè)節(jié)點(diǎn)，17 023個(gè)單元。

圖6 實(shí)體模型

2)邊界條件設(shè)置。如圖7所示，通過水動(dòng)力分析及軟剛臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，結(jié)合受力特點(diǎn)分析最大系泊力時(shí)間點(diǎn)，借助Excel表格得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)輸入值F系泊=3 533 kN，將剛體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果作為靜力學(xué)輸入載荷，充分考慮力和力矩的綜合影響，分析得到此刻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。其中，結(jié)構(gòu)彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

圖7 U型聯(lián)接器邊界加載

3.1.3 U型聯(lián)接器有限元結(jié)果分析

根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果及系泊腿受力分析，得到危險(xiǎn)工況數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 系泊腿應(yīng)力云圖

由圖8可知，U型聯(lián)接器結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為σmax=281.93 MPa，參考《海上單點(diǎn)系泊裝置入級(jí)與建造規(guī)范》第六章關(guān)于許用應(yīng)力的規(guī)范要求，可知42CrMo在設(shè)計(jì)尺寸下的拉壓及彎曲法向許用應(yīng)力取值為[σ]=0.8σs=0.8×930=744 MPa,σmax<[σ]，故U型聯(lián)接器結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3.2 銷軸強(qiáng)度計(jì)算

考慮銷軸載荷主要來自U型聯(lián)接器銷孔的接觸力，分析銷軸受力特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)銷軸強(qiáng)度校核計(jì)算流程，可知，銷軸主要的失效形式為壓潰及剪切，故主要進(jìn)行擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度校核，此處通過理論計(jì)算的方法進(jìn)行校核，銷軸受力情況見圖9。

圖9 銷軸載荷

圖中：F=F合max=3 533 kN，由平衡方程可知銷軸水平方向受力為0，即銷軸軸力為0，銷軸的剪力和彎矩分別如圖10所示。

圖10 銷軸受力

萬向節(jié)2根銷軸規(guī)格尺寸及彎矩見表2。

表2 萬向節(jié)銷軸參數(shù)

綜上所述，萬向節(jié)銷軸滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

1)與較簡(jiǎn)易低海況系泊裝置懸鏈浮筒式單點(diǎn)將水動(dòng)力結(jié)果直接用于部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的方法相比，本文針對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置所具有的多部件復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及高海況正常工作的特點(diǎn)，在水動(dòng)力分析與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析之間加入了多體動(dòng)力學(xué)分析，得到每個(gè)部件的載荷輸入及響應(yīng)，提高了分析計(jì)算的準(zhǔn)確性、合理性。

2)由于技術(shù)保護(hù)及主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中，缺乏對(duì)軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置中結(jié)構(gòu)部件如萬向節(jié)設(shè)計(jì)分析方法的相關(guān)研究資料。本文依托“中國(guó)能源局海洋核動(dòng)力平臺(tái)總體關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)”基金中關(guān)于軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置國(guó)產(chǎn)化的項(xiàng)目，研究確定了一種可行的軟剛臂單點(diǎn)系泊結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度分析方法，對(duì)渤海軟剛臂單點(diǎn)系泊裝置結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)具有一定的借鑒及參考意義。

3)在研究中，發(fā)現(xiàn)盡管以質(zhì)心位移代替船體作為輸入簡(jiǎn)化了動(dòng)力學(xué)模型，但整個(gè)軟剛臂系統(tǒng)由于部件較多整體模型較大，單個(gè)工況的計(jì)算耗時(shí)較久，考慮后續(xù)風(fēng)浪流多種組合工況，從并行計(jì)算及優(yōu)化輸入結(jié)果的角度提高計(jì)算效率仍需進(jìn)一步考慮改進(jìn)。

4)通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，軟剛臂單點(diǎn)系泊系泊腿萬向節(jié)應(yīng)力極值一般出現(xiàn)在船體遠(yuǎn)離系泊點(diǎn)極端位置，符合軟剛臂系統(tǒng)自身剛度曲線規(guī)律，且其應(yīng)力變化曲線較符合“鐘擺”運(yùn)動(dòng)，表明系泊腿在一個(gè)“平衡位置”附近來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這對(duì)后續(xù)研究其疲勞強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義。

[1] 《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì).海洋石油工程FPSO與單點(diǎn)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2007.

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