樁腿耦合裝置（LMU）的橡膠緩沖件設(shè)計(jì)分析

（河北省深海樁基配套裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省衡水市，053000）（衡橡科技股份有限公司，河北省衡水市，053000） 石臣剛

近年來(lái)，隨著深海油氣資源的開(kāi)發(fā)，我國(guó)開(kāi)始建造越來(lái)越多的大型海上采油平臺(tái)。浮托作業(yè)法與吊裝法不同，其借助于浮托駁船，不僅承載能力大，而且不依賴昂貴的大型起重船，成本更低、適用范圍更廣[1]。浮托法在單件大型上部組塊的安裝過(guò)程中的應(yīng)用已有二十多年的歷史，使用該方法安裝的上部結(jié)構(gòu)重量從3 000t 到21 000t 均有記錄。樁腿耦合裝置（Leg Mating Unit，LMU）是運(yùn)用于海洋石油平臺(tái)浮托法安裝過(guò)程中的高效緩沖裝置。LMU 可以將平臺(tái)組塊重量平緩地從駁船轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，并吸收安裝過(guò)程中由于海浪造成的駁船搖擺、上下運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的碰撞載荷，避免平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞，保證安裝作業(yè)順利進(jìn)行[2]。LMU 內(nèi)部的用于緩沖、吸能的彈性元件一般是豎向緩沖件和水平緩沖件。豎向緩沖件一般由硫化橡膠墊堆疊而成[3]。本文將針對(duì)豎向緩沖件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，通過(guò)有限元仿真，評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。

1 LMU結(jié)構(gòu)

LMU 的主體結(jié)構(gòu)包括刺錐接收器、水平緩沖件、豎向緩沖件、隔板和砂箱，以及與導(dǎo)管架連接為一體的外套筒和加強(qiáng)筋板。海上平臺(tái)組塊下落至刺錐接收器范圍時(shí)，將會(huì)受到錐形部分的導(dǎo)向作用，便于組塊的對(duì)正，水平緩沖件和豎向緩沖件可以吸收海浪等帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)載荷。在組塊重量逐步轉(zhuǎn)移到導(dǎo)管架的過(guò)程中，豎向緩沖件被不斷壓縮至設(shè)計(jì)位移，當(dāng)組塊與導(dǎo)管架完全合攏后，通過(guò)設(shè)置于砂箱底部的砂閥將內(nèi)部砂子放出，豎向緩沖件的高度逐漸恢復(fù)，組塊重量完全由導(dǎo)管架承受，之后完成組塊與導(dǎo)管架的連接工作，海上平臺(tái)組塊的安裝工作完成[4]。

2 LMU豎向緩沖件設(shè)計(jì)

在平臺(tái)組塊安裝過(guò)程中，LMU的豎向緩沖件需要承受組塊的部分重量，為保證平臺(tái)保持平穩(wěn)，豎向緩沖件的壓縮位移和受壓載荷之間的關(guān)系需要控制在一個(gè)嚴(yán)格的范圍，如論文《ANSYS 軟件在文昌LMU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》[5]中提到的文昌9-2&9-3 中心平臺(tái)的LMU 在設(shè)計(jì)位移450mm 時(shí)的豎向載荷設(shè)計(jì)誤差要求為±5%。豎向緩沖件一般為橡膠硫化件，橡膠具有變形大、應(yīng)力-應(yīng)變曲線非線性的特點(diǎn)，理論計(jì)算方法如下。

2.1 理論計(jì)算

LMU豎向緩沖件的結(jié)構(gòu)斷面是環(huán)形的，環(huán)形斷面橡膠堆的豎向剛度計(jì)算方法為

式中：k為豎向剛度；μ1為豎向形狀系數(shù)；n為橡膠層數(shù)；h為每層橡膠的厚度（mm）；r1、r2分別是橡膠環(huán)的內(nèi)外半徑（mm）；E為楊氏彈性模數(shù)（MPa）；S為面積比；Ac為橡膠的承載面積；Af為橡膠的自由面積。

以上計(jì)算方法只適用于小變形狀態(tài)，即壓縮變形不大于25%[2]。以文昌9-2&9-3中心平臺(tái)LMU最大載荷組為例：LMU 設(shè)計(jì)載荷1 650t，設(shè)計(jì)位移450mm，設(shè)計(jì)誤差±5%，則橡膠層的最小總厚度為450/25%=1 800mm。

壓縮變形不大于25%的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是針對(duì)支座類(lèi)、減振彈簧類(lèi)橡膠制品，這類(lèi)產(chǎn)品的免維護(hù)年限一般要求15～25 年，或者要求10 萬(wàn)公里運(yùn)行里程。通過(guò)分析LMU 豎向緩沖件（VE）的使用工況，可知VE 的使用壽命要求更低，25%的設(shè)計(jì)要求的冗余過(guò)大，可以適當(dāng)提高壓縮變形比。表1 是對(duì)應(yīng)不同壓縮比下的橡膠層總厚度，從中可以得出結(jié)論，橡膠壓縮比越小，橡膠層的總厚度越大。

表1 壓縮變形下的橡膠層總厚度

2.2 基于ABAQUS的有限元計(jì)算

ABAQUS 有限元分析軟件擁有豐富的單元庫(kù)，可以用于模擬各種復(fù)雜的幾何形狀，并且擁有豐富的材料模型庫(kù)，可用于模擬絕大多數(shù)的常見(jiàn)工程材料，如金屬、聚合物、復(fù)合材料、橡膠、可壓縮的彈性泡沫、鋼筋混凝土以及各種地質(zhì)材料等。較常用的適用于橡膠等超彈性材料的本構(gòu)模型有Mooney-Rivlin、Yeoh、Neo Hooke、Marlow 和Ogden 等。Yeoh本構(gòu)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)要求簡(jiǎn)單，描述的變形范圍寬，適合于模擬大變形工況[3]。本文采用Yeoh 本構(gòu)模型來(lái)進(jìn)行仿真計(jì)算，參數(shù)：C10=0.75，C20=-0.0 058，C30=0.0 033，D=0。

2.2.1 相同壓縮比，不同單元件數(shù)量

當(dāng)選定橡膠壓縮比為40%時(shí)，通過(guò)模擬不同橡膠層數(shù)時(shí)的工況，對(duì)比其應(yīng)力、使用橡膠體積等，獲得較為經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。表2 為壓縮比40%，壓縮位移450mm，不同層數(shù)的每層橡膠的厚度。

表2 橡膠層厚度

基于豎向緩沖件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算。固定豎向緩沖件的底面，在其上表面的耦合點(diǎn)施加450mm位移。

表3對(duì)比了40%壓縮比下，不同數(shù)量單元件時(shí)，橡膠的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、膠料總體積等內(nèi)容，從設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。隨著VE單元件數(shù)量的增加，使用膠料的總量減小、VE單元件的外形尺寸減小，橡膠部分的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變呈線性化增加。

表3 40%壓縮比下橡膠參數(shù)對(duì)比

基于以上對(duì)比，增加VE單元件數(shù)量，可以減少膠料的使用，同時(shí)VE 單元件尺寸減小可以使LMU外筒的尺寸縮小，從而節(jié)約原材料；但是隨著單元件數(shù)量增加，橡膠體的應(yīng)力直線上升，橡膠有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。所以可以在確保結(jié)構(gòu)完整的前提下，增加VE單元件數(shù)量，以降低成本。

一般典型的軟硫化膠的最大剪切應(yīng)變值為170%，相對(duì)應(yīng)的允許壓縮應(yīng)力為3G～5G 之間（G 為剪切模量，大小約為1MPa）[4]。但這個(gè)數(shù)值過(guò)于保守，不利于對(duì)橡膠材料性能的充分利用，根據(jù)《橋梁支座（第4版）》，板式支座的極限壓縮應(yīng)力可以達(dá)到70～100MPa[5]，考慮到VE 單元件的結(jié)構(gòu)、性能需求特性，以及壽命要求遠(yuǎn)低于板式支座，取橡膠部分的最大應(yīng)力為15MPa，進(jìn)一步計(jì)算壓縮比對(duì)設(shè)計(jì)的影響。

2.2.2 相同單元件數(shù)量，不同壓縮比

按照前面的結(jié)論，選取VE 單元件數(shù)量5，然后取不同的壓縮比，更進(jìn)一步對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、用橡膠量等進(jìn)行對(duì)比，以獲得更為經(jīng)濟(jì)、高效的設(shè)計(jì)方案。VE單元塊數(shù)量5時(shí)的載荷-壓縮位移曲線如圖1所示。

圖1 VE單元塊數(shù)量5時(shí)的載荷-壓縮位移曲線

由圖1 可以看出，豎向緩沖件的剛度隨壓縮位移增大而增大；增加壓縮比會(huì)使壓縮前期的剛度下降，后期的剛度增加更快；壓縮比在25%和30%時(shí)，壓縮位移-反力曲線接近于直線，隨著壓縮比增加，曲線的非線性逐漸顯著，剛度變化的拐點(diǎn)也愈加明顯。

不同壓縮比下的橡膠參數(shù)對(duì)比如表4所示。

表4 不同壓縮比下的橡膠參數(shù)對(duì)比

由表4可知，VE橡膠部分的應(yīng)力隨著壓縮比增大呈指數(shù)上升；使用膠料的體積呈指數(shù)下降。表明適當(dāng)增加壓縮比可以顯著的降低原材料成本。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)過(guò)計(jì)算和數(shù)據(jù)對(duì)比，在同一壓縮比下，豎向緩沖件中的單元件數(shù)量越多，單元件橡膠部分的應(yīng)力越大，同時(shí)膠料的使用量逐漸減小，VE單元件數(shù)量不變時(shí)，增加橡膠的壓縮比，單元件橡膠部分的應(yīng)力成指數(shù)上升，同時(shí)膠料的使用量逐漸減小；在保證豎向緩沖件結(jié)構(gòu)完整的情況下，增加單元件數(shù)量和壓縮比，可以顯著降低原材料使用量，LMU的豎向緩沖件的壓縮比可以提高到40%到50%，超過(guò)了理論公式計(jì)算的范圍，而有限元軟件可以很好的進(jìn)行仿真模擬。本文僅對(duì)LMU 的豎向緩沖件的設(shè)計(jì)、仿真進(jìn)行了從壓縮比和單元件數(shù)量?jī)蓚€(gè)維度的比較，缺乏對(duì)LMU高度和外套筒直徑等限制的考慮，也未考慮對(duì)膠料性能進(jìn)行調(diào)整。本文僅提供一種設(shè)計(jì)方向和思路，對(duì)于具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)仍需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)分析。