基于Workbench的深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)有限元分析

曾欽　嚴(yán)燦　畢仁貴

摘 要：以深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立收放機(jī)構(gòu)SolidWorks模型并簡(jiǎn)化，利用Workbench對(duì)收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。通過對(duì)收放機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)以及收放液壓缸、支撐底座及各鉸接點(diǎn)的連接銷軸等關(guān)鍵零部件在最大工作載荷工況下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行分析，驗(yàn)證了各零件強(qiáng)度、剛度符合實(shí)際使用需求，為深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：深海鉆機(jī);收放機(jī)構(gòu);有限元分析;應(yīng)力應(yīng)變

中圖分類號(hào)：U674.38文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.017

Abstract： A launch and recovery mechanism of a deep-sea drilling was chosen as the study object， and builds and simplifies the model of launch and recovery mechanism using SolidWorks. Finite element analysis of launch and recovery mechanism is carried out by using Workbench. By analyzing the stress-strain nephogram of the whole structure of the launch and recovery mechanism and the key components such as the hydraulic cylinder， the support base and the connecting pin axle of each hinge point under the maximum working load， The results show that the strength and stiffness of each component meet the actual application requirements， which provides a theoretical basis for the design of the launch and recovery mechanism of deep-sea drilling.

Keywords： deep-sea drilling;launch and recovery mechanism;finite element analysis;stress-strain

0 引言

深海鉆機(jī)是開展海洋地質(zhì)調(diào)查及海洋環(huán)境科學(xué)研究、進(jìn)行海底資源勘探所必須的技術(shù)裝備[1-3]。深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)作為深海鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)最重要的安全配套裝備，其主要作用是將深海鉆機(jī)由母船甲板下放至海底指定鉆探位置，待作業(yè)完成或受其他環(huán)境因素導(dǎo)致意外情況出現(xiàn)時(shí)，再由海洋絞車將鉆機(jī)從海底回收至母船甲板中央，受限于鉆機(jī)母船甲板作業(yè)空間局促、能源補(bǔ)給困難、維修環(huán)境不便及海洋環(huán)境復(fù)雜等問題，對(duì)鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)作業(yè)過程的安全可靠要求極高[4-5]。深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)主要由固定在母船甲板上的支撐底座、支撐鉆機(jī)的鉆機(jī)托架及帶動(dòng)鉆機(jī)翻轉(zhuǎn)的收放液壓缸等部分構(gòu)成。其中三個(gè)零件及他們之間的鉸接點(diǎn)為主要的受力機(jī)構(gòu)和承載點(diǎn)，我們采用有限元分析來研究其結(jié)構(gòu)的可靠性、促進(jìn)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)為分析對(duì)象，通過建立收放機(jī)構(gòu)SolidWorks三維模型，利用Workbench對(duì)收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出收放機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及各關(guān)鍵零部件和鉸接點(diǎn)受力情況等數(shù)據(jù)，并對(duì)得出的曲線進(jìn)行分析。

1 收放機(jī)構(gòu)整體分析

收放機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，如圖1所示。為了符合實(shí)際工作受載情況，將深海鉆機(jī)與收放機(jī)構(gòu)整體通過三維建模能力更強(qiáng)的Solidworks建模，并導(dǎo)入ANSYS/Workbench進(jìn)行分析。建模中對(duì)主要受力部件變形和應(yīng)力分布影響較小的孔、螺栓、過渡圓角等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將鉆機(jī)托架等效為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

鉆機(jī)從海底回收至母船甲板平面的過程中受到海浪影響較大，當(dāng)受到波浪沖擊達(dá)到波高2.5 m，且周期為2.8 s左右時(shí)，收放機(jī)構(gòu)受到波浪影響產(chǎn)生的升沉加速度值最大，最大值為az=2.6728cos（2.244t），式中t為波浪周期，且鉆機(jī)在剛開始回收即回收角θ為0°時(shí)液壓缸的受力和各零件的鉸接點(diǎn)受力達(dá)到收放過程中的最大值[6]。我們將分析該回收瞬間鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)的受力情況。

建立該瞬間的收放機(jī)構(gòu)三維模型，并將其導(dǎo)入到ANSYS/Workbench中，如圖2所示。設(shè)置其材料屬性為鋼，然后對(duì)各部件細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，采用ALL DOF將支撐底座底面進(jìn)行固定，以模擬鉆機(jī)托架固定在母船甲板的情況，對(duì)各構(gòu)件添加本身的重力加速度和由此刻波浪引起的垂直方向的升沉加速度值，然后對(duì)該時(shí)刻的模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真，得到如圖3所示θ=0°時(shí)的Von Mises應(yīng)力云圖和變形云圖。

由圖3可知，深海鉆機(jī)收放機(jī)構(gòu)在回收角為0°的工況位置時(shí)，最大應(yīng)力值σmax=96.562 MPa。而收放機(jī)構(gòu)主要為焊接高強(qiáng)度鋼板HG70材料，其許用應(yīng)力[σ]=590 MPa，遠(yuǎn)大于整體結(jié)構(gòu)在該時(shí)刻受到的最大應(yīng)力值，因此收放機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求;收放機(jī)構(gòu)最大變形量為2.0783 mm，位置位于托架底端，主要原因是鉆機(jī)本身質(zhì)量較大，鉆機(jī)與托架底端直接接觸，而在實(shí)際收放作業(yè)中在托架底端和托架與母船船身接觸的位置安裝有緩沖墊，用以緩沖在收放過程中的沖擊力，可以有效降低整體的變形量。

2 收放機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的分析

收放機(jī)構(gòu)在上述回收鉆機(jī)的瞬間其液壓缸、托架與液壓缸和底座角接觸銷軸、底座與液壓缸接觸銷軸為最主要的受力機(jī)構(gòu)和承載點(diǎn)。在回收角度為0°，也就是鉆機(jī)剛剛通過托架回收時(shí)刻各機(jī)構(gòu)和鉸接點(diǎn)受力最大。其中，液壓缸受力最大值為196.46 kN，其中X軸方向的分力為193.55 kN，Y軸方向的分力為36.65 kN;支撐底座的受力主要是來自兩鉸接點(diǎn)的拉力F1和F2，最大拉力F1=196.46 kN，其中X方向的分力為193.55 kN，Y方向分力為36.65 kN，F(xiàn)2=226.56 kN，X方向的分力為193.62 kN，Y方向分力為119.09 kN，在這兩鉸接點(diǎn)采用銷軸1和銷軸2連接，如圖2所示。各零部件的材料和相關(guān)參數(shù)如下表所示，對(duì)各關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，得到圖4～7所示的應(yīng)力應(yīng)變圖。