王建才，楊立東，田 俊，馬樹宇

基于ABAQUS的鉆井平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)有限元分析

王建才1，楊立東2，田 俊1，馬樹宇1

（1．渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010；2．盤錦凱瑞能源有限公司，遼寧盤錦124010）①

鎖緊系統(tǒng)是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵部件，其可靠性對(duì)于平臺(tái)自身安全至關(guān)重要。利用傳統(tǒng)的力學(xué)公式和計(jì)算方法很難驗(yàn)算鎖緊系統(tǒng)各部件應(yīng)力的大小及分布。為驗(yàn)證鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性，以有限元軟件ABAQUS將鎖緊系統(tǒng)各部件劃分為規(guī)則的六面體網(wǎng)格單元，并以非線性模塊作為計(jì)算分析平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，鎖緊系統(tǒng)各部件均能滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)也為開發(fā)鎖緊系統(tǒng)相關(guān)系列產(chǎn)品提供了可靠數(shù)據(jù)。

鉆井平臺(tái)；鎖緊系統(tǒng)；非線性；強(qiáng)度校核

自升式鉆井平臺(tái)是近年來近海油氣勘探開發(fā)中使用最廣泛的海洋工程裝備之一，平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵核心部件。對(duì)于鎖緊裝置而言，安全可靠性設(shè)計(jì)是極其重要的環(huán)節(jié)，研制性能良好的鎖緊裝置對(duì)于平臺(tái)的安全穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。因此，需要設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，選取合適的零部件材料，采取適宜的計(jì)算方法，來驗(yàn)證鎖緊系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)工況中能否達(dá)到使用要求。

1　結(jié)構(gòu)組成

同以前的鎖緊機(jī)構(gòu)相比，新研制的鎖緊系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)和承載能力上都有了較大的提升和改進(jìn)。鎖緊系統(tǒng)的整體鋼架采用拼接式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部零件采取鍛、鑄結(jié)合的工藝，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且焊接組裝等工序較為方便，降低了裝配后的成本和風(fēng)險(xiǎn)，也使得設(shè)計(jì)人員在研發(fā)初期就能對(duì)鎖緊系統(tǒng)的整體性有進(jìn)一步的理性認(rèn)識(shí)［1］。新研制的鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　鎖緊系統(tǒng)有限元分析理論

六面體單元是擁有局部和整體兩個(gè)坐標(biāo)系的三維單元，可用線性函數(shù)描述［2-3］。其基本參數(shù)如應(yīng)力、應(yīng)變等與彈性模量E和泊松比μ有關(guān)聯(lián)，每個(gè)六面體單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。分析計(jì)算的基本步驟如下。

2．1 結(jié)構(gòu)離散化

將整體離散成有限個(gè)微分體dxdydz，任取一個(gè)來探討應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系。整體在外部載荷的作用下，體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由6個(gè)應(yīng)力分σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx來表示。其中，σx、σy、σz表示各坐標(biāo)軸上的正應(yīng)力，τxy、τyz、τzx表示各平面內(nèi)的剪應(yīng)力，微觀模型如圖2所示。

圖2　微六面體單元的力學(xué)模型

2．2 單元分析

由彈性力學(xué)可知，彈性體內(nèi)任取一點(diǎn)處的應(yīng)力、應(yīng)變和位移間的關(guān)系可根據(jù)以下公式描述出：

1） 位移和應(yīng)變間的關(guān)系。

式中：（ε）為單元內(nèi)任一點(diǎn)處的應(yīng)變矩陣；εx、εy、εz為任一點(diǎn)處的正應(yīng)變；γxy、γyz、γzx為任一點(diǎn)處的剪應(yīng)變；（B）為幾何矩陣；（δe）為單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣。

2） 應(yīng)變和應(yīng)力間的關(guān)系。

式中：（σ）為單元內(nèi)任一點(diǎn)處的應(yīng)力矩陣；（D）為彈性矩陣；E為單元所屬材料的彈性模量；μ為單元所屬材料的泊松比。

3） 單元?jiǎng)偠确匠獭?/p>

根據(jù)虛功原理建立單元?jiǎng)偠确匠?，單元?jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移間的關(guān)系即可在方程中顯現(xiàn)出來。

式中：（Fe）為單元節(jié)點(diǎn)載荷矩陣；（Ke）為單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

2．3 整體分析

在單個(gè)單元?jiǎng)偠确匠痰幕A(chǔ)上，通過集成得到整體剛度方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。集成的原則是相鄰單元間在共用節(jié)點(diǎn)處的位移也相同。

式中：（F）為整體節(jié)點(diǎn)載荷矩陣；（K）為整體剛度矩陣；（δ）為整體節(jié)點(diǎn)位移矩陣。

2．4 求解節(jié)點(diǎn)位移及單元的應(yīng)變與應(yīng)力

求解方程式（4）。根據(jù)得出的節(jié)點(diǎn)位移，代入式（1）～（2）并計(jì)算，即可得到相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。

3　鎖緊系統(tǒng)的有限元模型建立

有限元軟件自身的建模功能與專業(yè)的三維繪圖軟件對(duì)比而言，其功能相對(duì)單一，但均與各繪圖軟件有著良好的接口程序，因此鎖緊系統(tǒng)實(shí)體模型采用U G進(jìn)行建模，之后導(dǎo)入ABAQUS軟件中將模型進(jìn)行規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分，以提高分析計(jì)算結(jié)果的精度。確保模型在分析計(jì)算過程中能夠達(dá)到所需精度的前提下，將實(shí)體結(jié)構(gòu)中的部分細(xì)小倒角，螺栓孔等對(duì)整體強(qiáng)度影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，以縮短不必要的計(jì)算時(shí)間［4］。以ABAQUS軟件的非線性分析模塊作為分析平臺(tái)，對(duì)鎖緊系統(tǒng)加載極限載荷的工況下進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的后處理。

在對(duì)鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析的同時(shí)，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如鎖緊齒條、壓塊等鎖緊裝置中的關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，盡量做到與實(shí)際情況相一致，從而減少因外部條件改變?cè)斐傻挠?jì)算誤差。因此在分析過程中采取的分析類型為邊界非線性。此類問題在物體相互接觸邊界位置以及接觸面上的應(yīng)力大小和分布事先是未知的，將整個(gè)問題求解完成后才能確定各接觸面的受力情況以及位移變化。

前處理在整個(gè)有限元分析過程中所花費(fèi)的時(shí)間和精力是最多的，占整個(gè)過程的70%左右。而前處理過程中，有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于求解的精度和準(zhǔn)確度有著決定性的影響。前處理的效率高低以及質(zhì)量好壞對(duì)整個(gè)有限元分析重要性很高。在接觸分析中，同等條件下，六面體網(wǎng)格要比四面體網(wǎng)格仿真的結(jié)果更為準(zhǔn)確，在接觸起作用的同時(shí)也能使分析更容易收斂，這也是本次鎖緊系統(tǒng)采用六面體單元為主分析的原因。

鎖緊系統(tǒng)實(shí)體模型選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)其進(jìn)行規(guī)則的網(wǎng)格劃分，壓塊加載端面采用主控制點(diǎn)與MPC剛性梁單元結(jié)合的形式進(jìn)行連接，以模仿極端載荷的加載形式。樁腿齒條施加對(duì)稱的固定約束方式，鎖緊系統(tǒng)內(nèi)部各接觸件如導(dǎo)軌架與壓塊，壓塊與鎖緊齒條，鎖緊齒條與樁腿件均建立接觸對(duì)，以模仿實(shí)際情況下兩兩物體的接觸狀態(tài)。

因鎖緊裝置為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在有限元建模過程中只建立1／2結(jié)構(gòu)，這樣不但節(jié)省建模周期，也能簡化計(jì)算過程，節(jié)省前處理的時(shí)間。有限元模型如圖3所示。

圖3　鎖緊系統(tǒng)有限元模型

本次分析選取極限載荷工況進(jìn)行應(yīng)力分析，極端載荷為7．2×104k N。因?yàn)槟Ｐ统蓪?duì)稱性模型，所以計(jì)算采用半模型進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界約束，加載取3．6×104k N進(jìn)行分析計(jì)算。

鎖緊齒條和楔塊的材質(zhì)均為40CrNiMo，其綜合力學(xué)性能良好，有高的強(qiáng)度、韌度和良好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性，使其廣泛用于制造強(qiáng)度高、塑性好的重要零部件。樁腿齒條采用A517Q，導(dǎo)軌架材料選為E550，其基本屬性如表1。

表1　材料基本屬性

本次有限元分析，在對(duì)模型附著材料屬性時(shí)的單位制是mmNMPa，其原因是有限元軟件中沒有固定的單位制，因此在對(duì)模型附著材料屬性時(shí)，其數(shù)值本身所含有的特定單位將被軟件作為默認(rèn)值［5］。

4　鎖緊裝置的強(qiáng)度分析

有限元位移法的分析方程可歸納為：

式中：K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；U為位移列向量；F為外載荷列向量。

在分析過程中用到了多點(diǎn)約束即MPC。MPC通過多點(diǎn)約束的形式將不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合連接，MPC內(nèi)部合力為零，其不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的剛度，并且運(yùn)用梁單元將各不同部件連接，其計(jì)算過程仍可看作是線性的，此舉節(jié)省了大量的前后處理時(shí)間。MPC單元即多點(diǎn)約束剛性梁有如下特性：

式中：ui為節(jié)點(diǎn)i處的平動(dòng)矢量；ei為節(jié)點(diǎn)i處的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量；φ為當(dāng)前坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)角。

由式（6）可得到3個(gè)附加方程來處理實(shí)體單元與梁單元間不同自由度數(shù)之間耦合的問題［6］。

根據(jù)材料力學(xué)方面的理論可知，在一定厚度的范圍內(nèi)，板材厚度對(duì)材料的許用應(yīng)力是沒有影響的。但隨著板材厚度的增加以及制造工藝的改變可能使板材內(nèi)部存在缺陷等，就會(huì)造成材料的力學(xué)性能隨著板材厚度的增加而下降現(xiàn)象的普遍發(fā)生。為此，在鎖緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，這方面的因素也在考慮范圍之內(nèi)，從而加強(qiáng)了設(shè)計(jì)的合理性和可行性［7-8］。根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》，取材料的一般局部安全系數(shù)γm＝1．1。鎖緊系統(tǒng)關(guān)鍵部件鎖緊齒條、楔塊、導(dǎo)軌架的有限元分析應(yīng)力云圖分別如圖4～6所示。

圖4　鎖緊齒條應(yīng)力云圖

圖5　楔塊應(yīng)力云圖

根據(jù)圖4鎖緊齒條應(yīng)力云圖所示，在非線性計(jì)算分析中，由于楔塊與鎖緊齒條應(yīng)力接觸造成鎖緊齒條后端棱角出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，對(duì)零件真實(shí)使用效果無直接影響，所以鎖緊齒條最大的合理計(jì)算應(yīng)力值可取為720mPa，材料許用應(yīng)力為800mPa，安全系數(shù)為1．11，符合規(guī)范要求。

根據(jù)圖5楔塊應(yīng)力云圖所示，楔塊由于邊界條件中MPC的存在，造成了附近應(yīng)力集中問題，對(duì)零件的真實(shí)使用效果無失效影響，楔塊的合理計(jì)算應(yīng)力為720mPa，材料許用應(yīng)力為800mPa，安全系數(shù)為1．11，符合規(guī)范要求。

圖6　導(dǎo)軌架應(yīng)力云圖

根據(jù)圖6導(dǎo)軌架應(yīng)力云圖所示，導(dǎo)軌架模型中存在90°尖角的緣故，造成了其附近應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，此現(xiàn)象的存在對(duì)零件的真實(shí)使用效果無失效影響，導(dǎo)軌架計(jì)算應(yīng)力為495mPa，材料許用應(yīng)力為550mPa，安全系數(shù)為1．11，符合規(guī)范要求。

5　結(jié)論

1） 本鎖緊系統(tǒng)達(dá)到了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并通過了船級(jí)社的相關(guān)認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，同時(shí)為相關(guān)零部件的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了真實(shí)可信的參考數(shù)據(jù)。

2） 鎖緊系統(tǒng)在施加極限載荷狀態(tài)下依然可以滿足承載需求，可達(dá)到鎖緊系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，而且結(jié)構(gòu)簡單、工藝新穎、生產(chǎn)成本低，并且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)還能消除裝置在加載時(shí)所出現(xiàn)的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3） 六面體單元網(wǎng)格所建立起來的鎖緊系統(tǒng)有限元模型，在計(jì)算過程中節(jié)省了大量的計(jì)算分析時(shí)間，且應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到了相應(yīng)的提高，不但獲得了各部位均勻過渡的有限元云圖，還準(zhǔn)確地計(jì)算出鎖緊系統(tǒng)各關(guān)鍵部件的應(yīng)力閾值，為驗(yàn)證鎖緊系統(tǒng)的合理性提供了可靠依據(jù)。

［1］ 劉茜，南傳立，萬淑敏．基于有限元分析的壓實(shí)機(jī)壓實(shí)效果研究［J］．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，37（6）：501-504．

［2］ 夏盛來，何景武．基于工程應(yīng)用的有限元網(wǎng)格劃分研究［J］．飛機(jī)設(shè)計(jì)，2008，28（4）：10-13．

［3］ 董梅．有限元法在結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度分析中的應(yīng)用［J］．指揮控制與仿真，2007，29（4）：114-117．

［4］ 平安，甘娥忠，于亞婷．有限元法—原理、建模及應(yīng)用［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2004．

［5］ 馬愛軍，周傳月，王旭．Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程［M］．北京：清華大學(xué)出版社．2005．

［6］ 申瑞民，許彥青，張同珍，等．基于多代理的智能型遠(yuǎn)程教學(xué)環(huán)境研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2002（4）：253-256．

［7］ 姚興佳，張晨晨，單光坤，等．基于ANSYS的風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底盤的強(qiáng)度分析［J］．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（1）：3841．

［8］ 朱愛民，其木格，鄭鑫．基于UG的輪轂結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（1）：74-76．

Finite Element Analysis of Drilling Platform Locking System Based on A B A Q US

WANG Jiancai1，YANG Lidong2，TIAN Jun1，MA Shuyu1
（1．Bohai Equipment Liaohe Heauy Industry Com pany，Panjin124010，China；2．K airui Energy Co．，Ltd．，Panjin124010，China）

The locking system is a key component of offshore drilling platform，the reliability of the locking device is vital for the safety of platform．It is difficult to sim ulate its stress value and distribution accurately by using classicalmechanics．In order to verify the rationality of the locking structure，each component of the locking system ismeshed as hexahedral elements based on the A B A Q U S software，strength analysis of the locking device is finished based on the nonlinear analysis platform and checking the strength according to the calculation results．The results showed that，its strengthmeets the design requirements，at the same time it also provides the reliable data for the development of the locking system related products．

drilling platform；locking system；nonlinear；strength chec

TE951

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．011

10013482（2015）03004804

①2014-10-12

王建才（1968-），男，甘肅武威人，高級(jí)工程師，主要從事石油鉆機(jī)和海洋工程裝備的研究，Email：wjclsnoi＠126．com。