付 利張 棣徐興平張 辛王言哲

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司; 2.海洋石油工程股份有限公司; 3.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院)

鋪管船張緊器主框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

付 利1張 棣2徐興平3張 辛3王言哲3

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司; 2.海洋石油工程股份有限公司; 3.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院)

以鋪管船張緊器為研究對象,對張緊器的工作原理進(jìn)行了分析,建立了張緊器主框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的模型。使用有限元軟件ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊對某鋪管船張緊器主框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,張緊器主框架鋼材用量從原設(shè)計(jì)的1.483m3下降到了0.489m3,節(jié)省67%,極大地減輕了張緊器的質(zhì)量;同時(shí),優(yōu)化后的安全系數(shù)仍達(dá)3.29,能夠滿足海上鋪管作業(yè)的要求。本研究中所使用的優(yōu)化思路和優(yōu)化方法可以作為海上工程設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),對平衡海上施工的經(jīng)濟(jì)性與安全性具有指導(dǎo)意義。

鋪管船;張緊器;主框架;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;經(jīng)濟(jì)性與安全性;ANSYS有限元分析

張緊器是海底管線鋪設(shè)中的重要設(shè)備,主要結(jié)構(gòu)包括主框架結(jié)構(gòu)、管道夾緊和前后送管系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等[1],具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋪管作業(yè)中,管線在接觸海底前有較長的懸空段,鋪管船會(huì)在潮漲、潮落以及風(fēng)、浪、流的作用下產(chǎn)生升沉和搖蕩運(yùn)動(dòng)。張緊器的作用就是使管線上的應(yīng)力始終維持在正常范圍內(nèi),阻止管線由于受到過大的拉應(yīng)力或者彎曲應(yīng)力而損壞,保證作業(yè)安全。此外,由于目前很多管線都是在甲板上焊接,為達(dá)到安全作業(yè)條件,在焊接過程中張緊器須保持管線固定不動(dòng)。

圖1 鋪管船張緊器結(jié)構(gòu)示意圖

國外對鋪管船張緊器的研發(fā)較早,技術(shù)相對成熟,比較知名的生產(chǎn)商有荷蘭SAS公司、美國WESTECH公司、意大利REMACUT公司等[2]。國內(nèi)對鋪管船張緊器也進(jìn)行了一些相關(guān)的研究工作[3],起初從國外進(jìn)口過幾臺張緊器,但是所進(jìn)口的張緊器價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積也很大[4]。2000年建成的“藍(lán)疆號”上配備了國內(nèi)較為先進(jìn)的張緊器,適用管線直徑114～1 219mm,單臺張緊器最大張緊力為710.982 kN[5]。后來“勝利901”、“勝利902”鋪管船上的張緊器也均為自主研發(fā)配套,對國內(nèi)海底管線鋪設(shè)裝備的發(fā)展有極大的推動(dòng)作用。

海上施工中作業(yè)船的排水量和甲板空間都是有限的,減小施工設(shè)備的質(zhì)量和體積就意味著更高的作業(yè)效率、更低的作業(yè)成本和更好的自持能力。因此,筆者通過使用ANSYS軟件結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊對某鋪管船張緊器的主框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),旨在用最小的鋼材用量實(shí)現(xiàn)所需的作業(yè)能力,以達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

1 優(yōu)化模型的建立與求解

1.1 優(yōu)化模型的建立

優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型就是用來表達(dá)各個(gè)設(shè)計(jì)變量、約束條件及優(yōu)化目標(biāo)項(xiàng)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,通常包括設(shè)計(jì)變量、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)。在張緊器框架和主梁的優(yōu)化中,設(shè)計(jì)變量為各個(gè)部分的壁厚T,可以表示為

為保證張緊器能夠安全可靠的工作,須滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求,其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)須建立的約束條件包括應(yīng)力約束條件、剛度約束條件,即

應(yīng)力約束條件

剛度約束條件

變量取值邊界條件

式(2)～(4)中:σ和f分別為結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力和最大變形量;[σ]和[f]分別為許用應(yīng)力值和許用變形量;Ti為各板厚度。

鋪管船張緊器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使框架和主梁在滿足一定的強(qiáng)度和剛度條件下,通過優(yōu)化其幾何尺寸及板厚使框架和主梁所用的材料最少,即體積(質(zhì)量)最小,因此選取框架和主梁的體積作為目標(biāo)函數(shù),即

式(5)中:ρ為材料密度;Si為第i個(gè)結(jié)構(gòu)的面積;Ti為第i個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度。

1.2 優(yōu)化模型的求解

研究表明,張緊器結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的求解問題就是帶有約束的非線性規(guī)劃問題,在使用有限元方法處理約束非線性規(guī)劃問題時(shí),一般采用變分原理,即利用罰函數(shù)法將約束非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為泛函駐值的求解問題[6]。

罰函數(shù)法是引入權(quán)因子ρi(其中ρi≥0),把帶有約束條件的函數(shù)合并到目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而構(gòu)成增廣函數(shù),即

式(6)中:H(g(xj))為約束條件的泛函。

為求得函數(shù)min f(x),先指定一個(gè)估計(jì)的初始值x(0),然后按一定的方法找到比x(0)更優(yōu)的解x(1),從而有f(x(1))＜f(x(0)),再按這個(gè)規(guī)則找到比x(1)更優(yōu)的解x(2)。對于第k步來說,一直都成立的公式是

式(7)中:λ(k)為搜索方向上每次向前移動(dòng)單個(gè)步長; S(k)為搜索方向。

如此可以得到一個(gè)解的序列{x(k)},使目標(biāo)函數(shù)值f{x(k)}逐步縮小,進(jìn)而一步步逼近精確結(jié)果。如果這個(gè)序列有限,則稱該序列收斂于x*,即[7]

2 張緊器主框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 基本參數(shù)

某鋪管船張緊器額定張力750 kN,最大速度35m/min,適應(yīng)管徑127～889mm,外形尺寸8.0m (長)×4.0m(寬)×6.0m(高),管線質(zhì)量130 t。主框架方鋼300mm×300mm,框架中間連接梁及加強(qiáng)斜梁150mm×150mm,頂框架梁260mm×100mm,上下框架連接板370mm×370mm。

2.2 主框架結(jié)構(gòu)有限元分析

鋪管船張緊器主框架結(jié)構(gòu)都是由梁結(jié)構(gòu)組成[8],選用BEAM188單元,材料選用Q345鋼,其楊氏模量E=210 GPa,泊松比μ=0.26,密度ρ= 7 800 kg/m3。根據(jù)提供750 kN張緊力的要求,管線外側(cè)水泥和履帶板上橡膠的摩擦系數(shù)為0.3,則上框架需要為管線提供600 kN的垂直壓力,加上管線質(zhì)量130 t,則下框架所受的壓力為1 900 kN。將各個(gè)載荷施加到所建立的主框架架構(gòu)有限元模型上,所計(jì)算的主框架應(yīng)力如圖2所示。

圖2 某鋪管船張緊器設(shè)計(jì)的主框架應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元分析,該鋪管船張緊器主框架最大應(yīng)力為44.2 MPa,主框架所用材料的總體積為1.428m3。主框架所用材料為Q345鋼,其屈服強(qiáng)度為345 MPa,按安全系數(shù)為2計(jì)算,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力只要不超過172.5 MPa就能滿足要求;而本設(shè)計(jì)中主框架最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,安全系數(shù)為7.81,過于保守,勢必造成海上鋪管作業(yè)中的資源浪費(fèi)和張緊器建造中的材料浪費(fèi),所以需要對其進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 主框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求,需要給出優(yōu)化過程中該鋪管船張緊器主框架的設(shè)計(jì)變量(DV)、狀態(tài)變量(SV)和目標(biāo)函數(shù)(OBJ),如表1所示。

使用零階方法進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化循環(huán)出現(xiàn)收斂或中斷時(shí)終止,設(shè)置的最大迭代次數(shù)為20次。本例計(jì)算中循環(huán)17次后目標(biāo)函數(shù)收斂,計(jì)算停止,其中部分參數(shù)的變化規(guī)律見圖3。從圖3可以看出,各設(shè)計(jì)變量時(shí)而變大時(shí)而變小,并無明顯規(guī)律,這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)變量多,各個(gè)變量之間又相互聯(lián)系、相互制約,有時(shí)一個(gè)變量的減少會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)變量的增大,而另一個(gè)變量的增大又會(huì)導(dǎo)致這個(gè)變量的減小,所以單純的從每一個(gè)變量的變化并不能得出合理的結(jié)果。

圖3 某鋪管船張緊器主框架部分參數(shù)變化規(guī)律

鋪管船張緊器主框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標(biāo)是在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的情況下,得到框架的最小質(zhì)量,也就是最小的體積。結(jié)合圖3(e)和各步計(jì)算結(jié)果,SET3、SET11、SET14、SET16較為理想,各參數(shù)的詳細(xì)情況如表2所示。

表1 某鋪管船張緊器主框架各變量設(shè)置情況

表2 某鋪管船張緊器主框架各變量優(yōu)化后各參數(shù)理想結(jié)果

表2中有4組數(shù)據(jù),究竟選用哪一組作為最優(yōu)解,需要結(jié)合專業(yè)知識和張緊器的實(shí)際工作情況來決定。該鋪管船張緊器主框架結(jié)構(gòu)中最長的立柱為3.178m,而截面較小,屬于細(xì)長桿,容易失穩(wěn)。SET11中,框架主梁寬度W 1為0.39m,壁厚為0.005 4m;SET14中,框架主梁寬度W 1為0.398m,壁厚為0.006 1m;SET16中,框架主梁寬度W 1為0.248m,壁厚為0.009 5m。可見,SET16相對尺寸更小,而且剛度也比較好,更重要的是此組數(shù)據(jù)體積最小,所以最終選擇SET16這組數(shù)據(jù)。但是觀察這組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),上下框架連接板寬度W 4為0.203m,而立柱截面寬度為0.248m,由于上下連接板的作用是使上線框架在此處通過螺栓連接,所以W 4值應(yīng)該大于立柱的截面尺寸,故需要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。該鋪管船張緊器最終確定的參數(shù)和原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的對比情況如表3所示。

按照表3中的最終尺寸重新建立主框架模型并進(jìn)行有限元分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,該鋪管船張緊器主框架結(jié)構(gòu)和尺寸都進(jìn)行優(yōu)化后,最大應(yīng)力為105 MPa,安全系數(shù)減小為3.29,比之前的7.81小了許多,考慮到張緊器的實(shí)際工作狀況,此安全系數(shù)是可以滿足海上鋪管作業(yè)要求的。由表3可知,優(yōu)化后張緊器主框架所用材料體積從1.482 8m3下降到了0.489 0m3,節(jié)省67%,極大地減輕了設(shè)備的質(zhì)量,節(jié)約了海上鋪管作業(yè)資源。

表3 某鋪管船張緊器主框架各變量最終確定值和原始值對比

圖4 某鋪管船張緊器優(yōu)化后的主框架應(yīng)力云圖

3 結(jié)束語

使用ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型對某鋪管船張緊器主框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,以較小的鋼材用量實(shí)現(xiàn)了所需的工作能力,降低了海上鋪管作業(yè)的資源消耗,有助于實(shí)現(xiàn)鋪管船張緊器安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。海上施工的危險(xiǎn)性很高,所以要求海上的作業(yè)設(shè)備有較高的安全系數(shù)。然而,海上設(shè)備承載、空間資源以及作業(yè)平臺的自持能力都是有限的,并且成本很高,因此,對于海上施工作業(yè)用的各種設(shè)備都應(yīng)該進(jìn)行合理的優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。

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Structure optimal design for themain frame ofpipe-layingship tensioner

Fu Li1 Zhang Di2 Xu Xingping3 Zhang Xin3 Wang Yanzhe3
(1.CNOOC Ener Tech-Drilling&Production Co., Tianjin,300452;2.China Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin,300452;3.Mechanic and Electronic Engineering College of China University of Petroleum, Shandong,266580)

Theprinciple ofpipe-layingship tensioner was analyzed and thestructure optimalmodel of itsmain frame was established.Themain frame was optimized bystructure optimizationmodule of ANSYS finite element analysissoftware.When the optimization was done,thesteel consumption of themain frame was reduced from 1.483m3to 0.489m3,reducing 67%;while thesafety coefficient was 3.29,and itstillmet the requests ofpipe-laying.The optimal idea andmethod adopted in thispaper could be used in the design of offshore engineering devices and have the guidingsignificance for the balance between economy andsafety for offshore construction.

pipe-layingship;tensioner;main frame;structure optimization;economy andsafety;ANSYS finite element analysis

2013-11-10改回日期:2014-04-10

(編輯:葉秋敏)

*中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“復(fù)合材料連續(xù)管結(jié)構(gòu)復(fù)合增強(qiáng)及失效機(jī)理研究(編號:14CX02129A)”部分研究成果。

付利,男,主要從事鉆完井工具及海洋石油裝備方面的研究。地址:天津市濱海新區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第四大街科技發(fā)展中心2號樓(郵政編碼:300452)。E-mail:henanfuli@163.com。