自升式平臺(tái)樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量誤差分析研究

彭吉友

（東營(yíng)杰開智能科技有限公司，山東 東營(yíng) 257000）

隨著海上油田作為重點(diǎn)資源接替陣地，勘探開發(fā)工作量尤其是鉆井工作量迅速攀升，海上鉆井、作業(yè)等各類型平臺(tái)進(jìn)行插拔樁作業(yè)越來(lái)越頻繁，樁腿作為插拔樁作業(yè)中平臺(tái)的主要承載構(gòu)件之一，主要支撐平臺(tái)的全部重量，并把載荷傳遞到海底，在作業(yè)中的作用舉足輕重。針對(duì)需要，某一樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量方案力求對(duì)插拔樁作業(yè)過(guò)程中樁腿載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器采用電阻式應(yīng)變片傳感器，布置在與樁腿齒條嚙合的齒輪上。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集終端將應(yīng)變片采集的應(yīng)變信息傳輸?shù)街行牟杉K端，經(jīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件分析后將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為升降裝置的載荷信息。根據(jù)樁腿齒條與升降齒輪的嚙合作用力與反作用力效果，此載荷信息即為樁腿的實(shí)時(shí)載荷信息，由此判斷插樁作業(yè)過(guò)程中樁腿的安全狀態(tài)。該方案中將齒輪軸的應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為樁腿載荷時(shí)，忽略了實(shí)際作業(yè)過(guò)程齒輪軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的因素，只采用一標(biāo)定常數(shù)進(jìn)行換算，將一定程度引起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差。以此為背景，本文重點(diǎn)研究監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行工況模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的誤差分析，進(jìn)一步完善樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量方案的數(shù)據(jù)分析過(guò)程提供指導(dǎo)，達(dá)到對(duì)樁腿載荷的安全監(jiān)測(cè)目的，為海洋平臺(tái)科學(xué)插拔樁提供理論依據(jù)。

1 實(shí)測(cè)升降裝置應(yīng)變信息與樁腿載荷轉(zhuǎn)換關(guān)系的原理分析

根據(jù)樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量方案，在插拔樁作業(yè)過(guò)程中，由應(yīng)變傳感器實(shí)時(shí)采集升降裝置的應(yīng)變信息。本文所做的工作就是分析如何完善將此應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為所需監(jiān)測(cè)的樁腿載荷過(guò)程。

現(xiàn)分析思路為：在真實(shí)還原研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)及約束情況的基礎(chǔ)上，在升降裝置齒輪與樁腿齒條嚙合的部位施加假設(shè)載荷，然后求出升降裝置上布置應(yīng)變片傳感器部分的應(yīng)變信息，這樣就可以求得載荷與應(yīng)變的轉(zhuǎn)換關(guān)系。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，根據(jù)此應(yīng)變關(guān)系，就可以由傳感器監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變信息反算出樁腿齒條與升降裝置齒輪嚙合處的載荷情況，再對(duì)樁腿受力進(jìn)行分析后，即可得到樁腿的實(shí)時(shí)載荷信息。

由于研究對(duì)象為升降裝置齒輪組，結(jié)構(gòu)比較龐大且復(fù)雜，本研究側(cè)重基于ANSYS有限元軟件的數(shù)值計(jì)算方法模擬工況。

2 實(shí)測(cè)升降裝置應(yīng)變信息與樁腿載荷轉(zhuǎn)換關(guān)系的數(shù)值計(jì)算分析

2.1 建立有限元實(shí)體模型

本課題的研究對(duì)象為升降齒輪組，將在SolidWorks軟件中按照實(shí)物1:1繪制的齒輪組模型導(dǎo)入ANSYS軟件的方法，實(shí)現(xiàn)精確建模（圖1）。

圖1 ANSYS中齒輪組模型

齒輪組的材質(zhì)為40CrNiMoA，彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.32。

對(duì)模型采用自由劃分和映射劃分相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。單元類型在此選擇實(shí)體單元SOLID45。劃分好的網(wǎng)格模型如圖2所示，其中單元數(shù)為139374個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為93493個(gè)。

圖2 齒輪組的有限元網(wǎng)格模型

齒輪組中兩個(gè)齒輪間通過(guò)空心軸連接，軸兩端均為自由端。傳動(dòng)過(guò)程中，齒輪組隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)徑向位移，為了防止齒輪組的軸向位移，部分約束其軸向位移。小齒輪與齒條的嚙合情況是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合線隨時(shí)在變，在此考慮兩種轉(zhuǎn)化的加載方式。一種是在齒面分度圓位置的中心節(jié)點(diǎn)上施加集中載荷，另一種是在齒輪面上施加均布載荷。這兩種加載方式雖然不同，但是只會(huì)影響加載齒輪處的受力情況，對(duì)軸上的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生太大的差異。

2.2 計(jì)算結(jié)果處理

從ANSYS后處理中可以得到模型上任一點(diǎn)處的應(yīng)力、應(yīng)變信息，現(xiàn)在根據(jù)應(yīng)變片所貼的位置找到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變。

平臺(tái)應(yīng)力檢測(cè)傳感系統(tǒng)布置在升降機(jī)構(gòu)齒輪組的齒輪軸上，距大齒輪5cm，在軸對(duì)應(yīng)的兩側(cè)分別貼有一組應(yīng)變片，每組在45°和-45°方向各有一應(yīng)變片，如圖3所示?？紤]到模型工作時(shí)應(yīng)變片處應(yīng)變隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)不斷變化，現(xiàn)在在軸上均勻的找到7個(gè)點(diǎn)，模擬一組應(yīng)變片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的7個(gè)位置，分別求出其應(yīng)變片方向的應(yīng)變，即為工作狀態(tài)下監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)變信息。

圖3 傳感器位置示意圖

7個(gè)點(diǎn)的具體位置如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片位置示意圖

首先，需要根據(jù)ANSYS后處理文件中所得的沿坐標(biāo)系方向應(yīng)變求得沿應(yīng)變片方向的應(yīng)變信息。根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí)：

其中，xε、yε、zε、yzγ、zxγ、xyγ為某一點(diǎn)P沿六個(gè)坐標(biāo)系方向的應(yīng)變；PN為過(guò)P點(diǎn)的、沿N方向的任一微小線段；l、m、n為PN的方向余弦，其值與P點(diǎn)坐標(biāo)和PN的方向有關(guān)；Nε為PN方向的正應(yīng)變。

設(shè)P點(diǎn)的坐標(biāo)為（x0，y0，z0），經(jīng)分析，45°方向應(yīng)變片的方向余弦分別為：

-45°方向應(yīng)變片的方向余弦分別為：

將以上兩組方向余弦分別帶回（1）式，即可實(shí)現(xiàn)7個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變處理。

根據(jù)齒輪軸的受力情況，在工作狀態(tài)下，軸上的應(yīng)力應(yīng)變除了受主要的扭矩影響外，還受到彎曲和剪力的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，在軸上沿周向不同位置布置兩套應(yīng)變片組分別進(jìn)行采集，然后進(jìn)行組橋，以盡量減少?gòu)澗睾图袅τ绊?。設(shè)1ε、2ε、3ε、4ε為進(jìn)行組橋的應(yīng)變片組中四個(gè)應(yīng)變片分別采集的應(yīng)變值，合理組橋后，應(yīng)變儀的讀數(shù)結(jié)果為：

其中，Tε為扭轉(zhuǎn)引起的應(yīng)變。

關(guān)于如何選擇合適的兩組應(yīng)變片進(jìn)行組橋，現(xiàn)通過(guò)給出全部的組合情況，綜合考慮各個(gè)情況下應(yīng)變值的穩(wěn)定性，以尋找最優(yōu)的應(yīng)變片布置方案，為工程施工提供參考意見。

參考圖5中各應(yīng)變片組的位置，共有六種組合情況，例如：第一種：將相鄰兩組應(yīng)變片組合，即①-②組合，②-③組合，以此類推；第二種：將間隔一組應(yīng)變片的兩組應(yīng)變片組合，即①-③組合，②-④組合，以此類推；與此類似，第三、四、五、六種情況分別為將間隔兩組、三組、四組、五組應(yīng)變片的兩組應(yīng)變片組合。

以集中載荷下得到的結(jié)果為例，以上六種組合情況具體應(yīng)變結(jié)果如表1所示。

表1 集中載荷下各種組合情況應(yīng)變值d（με）

用折線表示各種情況的結(jié)果如圖5所示。

圖5 六種組合情況下應(yīng)變值dε（με）折線圖

從圖5折線中可以大致看出，分別代表第一、二、五、六種情況的折線上下浮動(dòng)情況較大，最大值和最小值之間最大差距分別為5.15%、3.61%、3.61%、5.15%；而代表第三種和第四種情況的折線相對(duì)平緩，最大值和最小值之間最大差距均為1.87%，說(shuō)明這兩種組合方式在整個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)最穩(wěn)定。

同時(shí)不容忽略的是，從圖5中可以看出，不管哪種組合方式，當(dāng)升降裝置齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)到不同角度時(shí)，即使在相同載荷作用下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變值也并不完全相同。這是由于應(yīng)變片傳感器在升降裝置上的布置位置固定不變，在作業(yè)過(guò)程中與樁腿的齒條與升降裝置的齒輪嚙合部位在實(shí)時(shí)變化，這樣這兩者的相對(duì)位置在不斷變化，故實(shí)時(shí)采集的應(yīng)變信息是與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)相關(guān)的物理量。如此就出現(xiàn)了如圖6中的曲線結(jié)果形式。這也是樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量方案中誤差原因所在。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以海洋平臺(tái)插拔樁作業(yè)過(guò)程中的樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量工程為課題背景，針對(duì)方案中應(yīng)變檢測(cè)數(shù)據(jù)與樁腿載荷的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了誤差分析研究。以上分析力求完善樁腿載荷實(shí)時(shí)測(cè)量方案，為判斷插樁作業(yè)過(guò)程中樁腿的安全狀態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。