JU2000E平臺(tái)超厚齒條板的火焰切割

(中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201206)

0 引 言

自升式鉆井平臺(tái)[1]主要由平臺(tái)主船體、樁腿、樁靴、懸臂梁、生活樓和直升機(jī)平臺(tái)等組成。樁腿多采用桁架式三角形，支撐著平臺(tái)的重量，保證整個(gè)平臺(tái)能夠安全平穩(wěn)的升降。新一代自升式移動(dòng)鉆井平臺(tái)多采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)完成平臺(tái)的升降，平臺(tái)的樁腿由主弦桿、水平支撐桿及斜支撐桿組成。主弦桿由齒條板和2塊半圓板焊接而成。本文研究的中國(guó)國(guó)際海運(yùn)集裝箱(集團(tuán))股份有限公司(簡(jiǎn)稱中集集團(tuán))JU2000E H267平臺(tái)如圖1所示，圖中為升起的狀態(tài)。主弦桿截面尺寸如圖2所示。

樁腿齒條板是平臺(tái)建造中非常關(guān)鍵的部件，它承受平臺(tái)體升降時(shí)產(chǎn)生的載荷。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于齒形完工精度要求較高，直接關(guān)系到平臺(tái)升降的安全和使用。JU2000E平臺(tái)齒條板厚177.8 mm，對(duì)于超厚板的齒形加工方法，以往多采用機(jī)械切削，效率較低，制作周期長(zhǎng)且成本高，因此目前多采用火焰切割。超厚板切割前必須預(yù)熱，切割后必須保溫冷卻到常溫狀態(tài)。由于金屬熱脹冷縮的影響，齒條板將產(chǎn)生收縮變形甚至產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響最終的公差要求和質(zhì)量。中集集團(tuán)JU2000E H267平臺(tái)齒條板采用德國(guó)進(jìn)口板材，該板材微觀金相組織分布均勻，可切割性及可焊性較好。單塊板材價(jià)格超50元萬(wàn)人民幣，價(jià)格較貴。為了保證齒條完工精度滿足要求，減小報(bào)廢率，對(duì)齒條板進(jìn)行熱-固耦合分析非常必要。

圖1 中集JU2000E H267平臺(tái) 圖2 JU2000E H267平臺(tái)主弦桿截面

1 熱-固耦合分析原理

溫度與固體中應(yīng)力與應(yīng)變等物理量之間相互影響的分析稱為熱-固耦合分析。固體的溫度變化取決于周圍介質(zhì)的熱量傳遞，同時(shí)也取決于固體內(nèi)部的應(yīng)變率，這種溫度場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)受到熱沖擊的作用非常明顯[2-3]。固體內(nèi)的溫度隨時(shí)間的變化而不斷升高或降低，并在經(jīng)歷一定的時(shí)間后逐漸與周圍介質(zhì)的溫度接近，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，該傳熱過(guò)程稱為瞬態(tài)傳熱。

隨著時(shí)間的變化，瞬態(tài)傳熱過(guò)程中系統(tǒng)的熱流率、溫度、熱邊界條件以及系統(tǒng)的內(nèi)能會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡方程為

(1)

ANSYS熱分析的基本原理：首先把所處理的對(duì)象分割成有限個(gè)單元，再根據(jù)能量的守恒原理求解初始條件及相關(guān)邊界條件下單元節(jié)點(diǎn)處的熱平衡方程，從而得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值，進(jìn)一步求解出其他相關(guān)物理量值[4]。

ANSYS提供的熱分析單元多達(dá)40余種，包括輻射單元、對(duì)流單元、耦合單元及特殊單元[5-6]。SOLID98單元是3D直接耦合單元，能夠耦合熱-應(yīng)力、熱-電-磁、熱-應(yīng)力-電-磁等；節(jié)點(diǎn)數(shù)10個(gè)，自由度包括結(jié)構(gòu)位移、溫度、磁矢勢(shì)、電勢(shì)等。齒條板的熱-固耦合分析采用該耦合單元。

2 齒條板材料屬性及完工精度

齒條板采用可焊接高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼，牌號(hào)為ASTM A517 GrQ，最小屈服強(qiáng)度為690 MPa，抗拉強(qiáng)度為790/930 MPa。夏比V型缺口沖擊最小平均值要求：在1/4板厚處，-37 ℃時(shí)縱向?yàn)?9 J；在1/2板厚處， -27 ℃時(shí)縱向?yàn)?9 J。齒條1/4板厚處布氏硬度最小為260 N/mm2，最大為286 N/mm2。最高含硫量為0.010%，最高含碳量為0.180%。齒條板的完工公差要求[7]見表1。齒型理論尺寸如圖3所示。圖4為齒條板火焰數(shù)控切割過(guò)程。

表1 齒條板公差要求

圖3 齒型的理論尺寸 圖4 齒條板火焰數(shù)控切割3 齒條板熱應(yīng)力分析

相互接觸的不同結(jié)構(gòu)體或同一結(jié)構(gòu)體的不同部分之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在加熱或冷卻時(shí)彼此的膨脹或收縮程度不一致，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。熱切割后的齒條板靜置在空氣中，隨著時(shí)間的變化齒條各部位的溫度、應(yīng)力及應(yīng)變將發(fā)生變化，齒條板的冷卻過(guò)程屬于瞬態(tài)傳熱過(guò)程。本文采用ANSYS三維耦合單元SOLID98對(duì)齒條板進(jìn)行熱-固耦合分析。

2.1 齒條板有限元模型參數(shù)

圖5 齒條板有限元模型

齒條板材切割前須進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)齒條板進(jìn)行加熱并保持在200 ℃，在切割完成后放在保溫罩中自然冷卻至常溫。切割完成的單根齒條長(zhǎng)約6.15 m，寬約838.2 mm，厚約177.8 mm，共20個(gè)齒。如果對(duì)整個(gè)齒條進(jìn)行有限元建模分析， 計(jì)算的工作量非常大。為節(jié)省計(jì)算工時(shí)，僅選擇8個(gè)齒條進(jìn)行熱應(yīng)力分析。對(duì)齒條進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑締卧叽鐬?50 mm，并對(duì)齒尖及齒根部分進(jìn)行細(xì)化。該有限元模型單元總數(shù)為19 006個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為34 510個(gè)。齒條板有限元模型如圖5所示。

采用直接法進(jìn)行熱應(yīng)力分析的過(guò)程中，在模型上除可以施加溫度、對(duì)流、熱流率、生熱率、熱流密度及熱輻射率的熱載荷外，還可以施加位移、壓力、集中力(力矩)、角速度等結(jié)構(gòu)載荷。本算例對(duì)模型施加載荷：初始溫度為200 ℃，周圍空氣溫度為20 ℃，對(duì)流系數(shù)為110 W/(m2·℃)。材料的性能參數(shù)見表2。

表2 材料性能參數(shù)

圖6 齒條板中心溫度變化

2.2 齒條板溫度場(chǎng)分布

齒條板在空氣中冷卻的過(guò)程中由于截面形狀不同及與空氣接觸散熱面積的不同，齒各部位的冷卻速度也不同，溫度變化不均勻。齒條板中心溫度變化如圖6所示，可以看出：隨著冷卻時(shí)間的增加，齒條板溫度逐步減??；齒條板溫度變化的梯度隨著時(shí)間的增加，逐步減小，在7 500 s以后，溫度接近空氣溫度。

齒條板溫度分布如圖7所示，可以看出：齒尖部位較齒根部位溫度低；齒條板兩端溫度較中間部位低；齒兩側(cè)邊緣較齒中心區(qū)域溫度低。

圖7 齒條板溫度分度布

2.3 齒條板熱應(yīng)力場(chǎng)分布

熱應(yīng)力主要是由于加熱或冷卻不均勻而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力[8]。齒條板冷卻過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)之間是相互影響的。齒條板將熱量傳給周圍的空氣，從而使整個(gè)系統(tǒng)的溫度發(fā)生變化，由于齒條板各部分的溫度分布不均勻而產(chǎn)生熱應(yīng)力。計(jì)算得到齒條板Von Mises應(yīng)力分布如圖8所示，可以看出：最大的Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在齒根兩側(cè)邊緣部分。

圖8 齒條板Von Mises應(yīng)力分布

將齒側(cè)邊緣輪廓單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，如圖9所示。選取齒根一側(cè)邊緣輪廓線上的部分節(jié)點(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)Von Mises應(yīng)力變化曲線如圖10所示，可以看出：齒條板剛開始放入空氣中時(shí)，Von Mises應(yīng)力急劇升高達(dá)到最大值，隨后又快速減小，大約到5 000 s后下降幅度趨于緩慢。最大Von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在C1節(jié)點(diǎn)處，為375.86 MPa，相應(yīng)的冷卻時(shí)間為570 s左右。

圖9 齒側(cè)邊緣輪廓單元節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)編號(hào)

圖10 Von Mises應(yīng)力變化曲線

3 齒條板公差對(duì)比分析

圖11 齒條板變形圖

海上石油平臺(tái)樁腿齒條結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)、剛度大，在傳動(dòng)時(shí)嚙合精度要求更高，即使有很小的偏差，就可能出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象，引起事故，因此對(duì)齒條板切割后的完工尺寸要求極高。齒條板寬約為1.8 m，一次切割兩面成型，包含20個(gè)齒。齒條板放入空氣中冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮變形，齒條收縮后的外輪廓曲線如圖11所示。

3.1 齒距

齒條板隨溫度的降低會(huì)產(chǎn)生收縮變形，齒間距發(fā)生變化。齒條收縮變形量見表3，由表3可知：平均最大單個(gè)齒距收縮變形為1.15 mm。齒條完工公差要求齒距為±0.5 mm，收縮變形量是公差要求的2.3倍，不滿足要求。

表3 齒條收縮變形 mm

3.2 齒寬

齒尖到齒尖的收縮變形量見表4，最大的收縮變形為2.997 mm。齒條完工公差要求齒寬(齒尖到齒尖)為+0.2 mm/-1.0 mm。齒條收縮變形產(chǎn)生負(fù)公差，收縮變形量是公差要求的3.0倍，不滿足要求。

表4 齒尖到齒尖收縮變形 mm

齒根到齒根的收縮變形量見表5，最大的收縮變形為1.635 mm。齒條收縮變形產(chǎn)生負(fù)公差，收縮變形量是公差要求的1.64倍，不滿足要求。

表5 齒根到齒根收縮變形 mm

3.3 齒厚

齒厚在齒尖到齒尖的收縮變形見表6，最大的收縮變形為0.846 mm。齒厚在齒根到齒根的收縮變形量見表7，最大的收縮變形為0.762 mm。齒厚要求的鋼廠公差為±1.52 mm。齒條在切割過(guò)程中，先預(yù)熱膨脹后冷卻收縮，齒厚方向的公差主要取決于鋼廠提供齒條板的出廠公差。

表6 齒尖到齒尖收縮變形量 mm

表7 齒根到齒根收縮變形量 mm

3.4 壓力角

齒型斜邊在冷卻收縮后壓力角的變化見表8，最大壓力角的變化量為12.67′。齒條完工公差要求壓力角為初始角30°。收縮變形產(chǎn)生的最大壓力角變化是公差要求的1.27倍。

表8 壓力角變化

3.5 其他公差

齒條完工公差的其他要求，諸如拱高、分度線繞度、扭轉(zhuǎn)、弦高、弦寬等，主要由于火焰切割時(shí)，齒形集中受熱，上下兩邊受熱極度不均勻，造成線膨脹不均勻，從而使齒條整體呈弧狀。齒切口邊垂直度主要取決于齒條板放置水平度與槍口火焰噴出方向。齒切口表面粗糙度與切割速度、割嘴及鋼板材質(zhì)有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 齒條板冷卻收縮變形遠(yuǎn)大于完工公差要求，在切割過(guò)程中必須考慮收縮補(bǔ)償。長(zhǎng)度方向的最大收縮變形是公差要求的2.3倍；齒尖在寬度方向的最大收縮變形是公差要求的約3.0倍；齒根在寬度方向的最大收縮變形是公差要求的約1.64倍；壓力角最大收縮變形是公差要求的1.27倍。因此，在編制數(shù)控切割指令時(shí)需要考慮收縮變形的補(bǔ)償量，對(duì)單個(gè)齒補(bǔ)償量為：齒距約1.13 mm；齒寬在齒尖處約2.99 mm，在齒根處約1.63 mm。

(2) 齒條板在冷卻過(guò)程中溫度的分布是不均勻的，齒尖及兩端散熱面積大，溫度降低較快，而齒根及心部溫度降低較慢。溫度降低梯度較大時(shí)間范圍在冷卻前10 min，容易產(chǎn)生冷脆裂紋，因此應(yīng)采取有效的措施防止齒條板與周圍溫差過(guò)大。實(shí)際應(yīng)用中采用金屬罩，讓齒條板處在類似保溫箱中逐漸冷卻。在常溫下，一般需冷卻約72 h或至常溫后，再打開罩子對(duì)齒條板進(jìn)行公差檢驗(yàn)。

(3) 齒條板在冷卻過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，最大收縮應(yīng)力在齒根圓弧兩側(cè)邊緣處。板材強(qiáng)度高、厚度大，因此對(duì)冷裂紋敏感性大。本文計(jì)算得到的齒根處最大Von Mises應(yīng)力為375.86 MPa，小于齒條板的最小屈服強(qiáng)度690 MPa。但是，隨著單元尺寸的進(jìn)一步細(xì)化，齒根處應(yīng)力集中更加明顯，應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增大，可能超過(guò)許用應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。因此，在冷卻初期要防止冷卻溫差過(guò)大，盡可能降低溫度梯度，避免裂紋的產(chǎn)生。

(4) 齒條板在冷卻至常溫后，各部位的應(yīng)力分布不均勻性較小。齒條板在冷卻3 h后，齒條板各部位的溫度已經(jīng)接近常溫狀態(tài)：最大Von Mises應(yīng)力在齒根處,約為2.5 MPa；最小Von Mises應(yīng)力在齒尖處，約為0.01 MPa。

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