鄭方毅　孫樹立

摘要：建立摩擦式吊卡的有限元仿真模型，通過在吊卡鋼模與鋼管之間加入內(nèi)襯材料聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU）以及在內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)溝槽，提出一種提高吊卡承載能力的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.仿真結(jié)果驗(yàn)證該方案可行.結(jié)果表明：PU層可大幅提高摩擦式吊卡的承載能力；通過在內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)兼顧提高摩擦力和排水能力的溝槽，也可進(jìn)一步增強(qiáng)吊卡對(duì)海上作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力.

關(guān)鍵詞：摩擦式吊卡； 承載力； 接觸壓力； 摩擦因數(shù)； 聚氨基甲酸酯； 溝槽

中圖分類號(hào)： TE952 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：A finite element simulation model of friction clamp is built. An optimization design scheme for improving bearing capacity of friction clamp is proposed by adding Polyurethane （PU） layers between dies of clamp and steel pipe and designing grooves on the layers. The simulation results verify that the scheme is feasible. The results indicate that， PU layers can significantly improve the bearing capacity of friction clamp； it can enhance the

clamps adaptability to offshoreproject environment by designing grooves on the layer which can take both improvement of friction and drain ability into account.

Key words：friction clamp； bearing capacity； contact force； friction effect； polyurethane； groove

0 引 言

摩擦式吊卡廣泛運(yùn)用于石油勘探工程中，是懸吊海底管道的必備工具，可用于吊起鉆桿、油管和套管等管材.這種吊卡的體積一般比較龐大，如某施工公司目前用于吊起海底石油管道的吊卡長(zhǎng)2.8 m，寬和高均約為0.7 m，可以吊起約300 t的管道.由于摩擦式吊卡的內(nèi)徑是根據(jù)施工管道的直徑而定制的，所以大部分吊卡結(jié)構(gòu)只能在當(dāng)次工程中使用，成本很高.降低吊卡制造成本的一種思路是設(shè)計(jì)可重復(fù)使用的吊卡，考慮到吊卡結(jié)構(gòu)的安全性要求，即使簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)在可靠性方面也無法與目前的裝置相比，而且保存和維護(hù)可重復(fù)使用的吊卡也會(huì)帶來額外的成本，因此這種思路在實(shí)際工程中較少采用.由于吊卡的承載能力取決于吊卡內(nèi)表面與管道間的靜摩擦力，另一種降低成本的思路是設(shè)法增大吊卡內(nèi)表面與管道間的最大靜摩擦力，使同樣的裝置可以吊起更重更長(zhǎng)的管道，或者在外載荷不變的情況下減小裝置的長(zhǎng)度和體積，也可以降低吊卡的制作成本.本文基于后一種思路，通過在吊卡內(nèi)表面與鋼管之間加入內(nèi)襯材料聚氨基甲酸酯（Polyurethane，PU）以及在內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)溝槽，提出一種提高吊卡承載能力的優(yōu)化方案，并通過數(shù)值仿真驗(yàn)證方案的可行性.

1 吊卡結(jié)構(gòu)仿真模型

采用Abaqus建立吊卡結(jié)構(gòu)的有限元模型.吊卡結(jié)構(gòu)由吊卡外殼、鋼模和被夾持的管道等組成，各部件和裝配模型見圖1.吊卡外殼、吊環(huán)和翼緣是一個(gè)整體，因此其接觸面均設(shè)為綁定約束，沒有相對(duì)位移和相對(duì)轉(zhuǎn)角.吊卡外殼與鋼模間由黏結(jié)劑固定，非常牢固，故將其接觸面也設(shè)為綁定約束.鋼模與管道之間為摩擦接觸，當(dāng)外載荷超過吊卡可提供的最大摩擦力時(shí)，允許管道在鋼模中滑動(dòng).

吊卡模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將管道看作殼狀結(jié)構(gòu)，采用四邊形殼單元S4R進(jìn)行網(wǎng)格劃分.整體結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2.

模型邊界條件設(shè)定為吊卡上下兩側(cè)吊環(huán)固定，吊卡內(nèi)載荷為兩側(cè)螺栓對(duì)管道的夾持力，作用在翼緣上每個(gè)孔的中心.由于管道的承壓能力有限，因此螺栓對(duì)吊卡的作用力不能過大，計(jì)算中采用每個(gè)螺栓的作用力為480 kN且始終保持不變.外載荷為海底管道的質(zhì)量，在模型中簡(jiǎn)化為施加于鋼管左側(cè)邊緣的線載荷.當(dāng)外載荷超過吊卡所能產(chǎn)生的最大靜摩擦力時(shí)，管道會(huì)在吊卡中滑動(dòng).模型中的載荷示意見圖3.

2 改進(jìn)方案

在接觸面積不變的情況下，要想增大兩表面間的最大靜摩擦力，必須要增大靜摩擦因數(shù)與接觸壓力，然而在本模型中，由于管道的抗壓能力有限，接觸壓力不能隨意提高.雖然可以設(shè)計(jì)電磁式摩擦吊卡[1]，在不增大對(duì)管道壓力的情況下提高接觸壓力，但復(fù)雜的裝置同樣會(huì)提高制造成本，不符合簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠的要求，因此最適合的選擇是從增大靜摩擦因數(shù)入手.

一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)且廉價(jià)的方案就是在吊卡與鋼管之間加入一層高摩擦因數(shù)的內(nèi)襯材料.[2]PU是一種工業(yè)中常用的化學(xué)合成材料，其優(yōu)點(diǎn)在于只需要簡(jiǎn)單修改配方，就可以獲得不同的密度、彈性、剛性和摩擦因數(shù)等物理性能，非常適合用作內(nèi)襯材料，而且在不同的應(yīng)用條件下可以很方便地選擇不同性能的PU適應(yīng)當(dāng)前的使用環(huán)境.此外，在物體接觸表面設(shè)計(jì)不同方向、不同間距的溝槽[3]也是增大摩擦力的常用方法.在本設(shè)計(jì)中通過這2種方法提高吊卡的承載性能.

2.1 PU內(nèi)襯層

PU屬于有機(jī)高分子聚合物材料，其摩擦性質(zhì)與鋼鐵和木材等有顯著區(qū)別，一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是其靜摩擦因數(shù)會(huì)隨表面正壓力大小的變化而變化[45]；其彈性模量等物理性質(zhì)也與塊狀材料有所不同[6]，因此需要通過試驗(yàn)測(cè)定其在不同壓力下的最大靜摩擦力.

采用Sunray公司的60D型號(hào)PU[7]進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試（試驗(yàn)由新加坡國(guó)立大學(xué)GUAN等進(jìn)行）.試驗(yàn)材料與方法：鋼板尺寸為48.0 mm×248.0 mm×3.0 mm，PU材料有2種尺寸，分別為53.5 mm×50.0 mm×8.0 mm和54.0 mm×50.0 mm×8.0 mm，裝在液壓試驗(yàn)機(jī)Instron 8501 Servohydraulic Testing Machine上，測(cè)定在不同正壓力下抽動(dòng)被PU夾持的鋼板所需的力，試驗(yàn)結(jié)果見表1.試驗(yàn)表明：PU材料的靜摩擦因數(shù)不是常數(shù)，而是隨著正壓力的增大而顯著減?。淮送?，在正壓力相當(dāng)大的范圍內(nèi)，60D型號(hào)PU在受剪力破壞前就會(huì)與鋼材發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)吊卡就已經(jīng)失效，因此不需要單獨(dú)考慮PU材料應(yīng)力破壞的限制.

由于PU內(nèi)襯層厚度相對(duì)于吊卡尺寸而言非常小，所使用的黏結(jié)劑也非?？煽?，且不需要考慮內(nèi)襯層的材料破壞，所以為減少質(zhì)量較差的網(wǎng)格單元數(shù)和單元總數(shù)，在吊卡的仿真模型中不單獨(dú)設(shè)計(jì)內(nèi)襯層，而是通過改變鋼模與管道間的靜摩擦因數(shù)模擬PU內(nèi)襯層，靜摩擦因數(shù)的取值依照表1給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.2 溝槽設(shè)計(jì)

由于將鋼模與內(nèi)襯層視為一體，沒有單獨(dú)設(shè)計(jì)內(nèi)襯層模型，因此通過直接在鋼模上設(shè)計(jì)溝槽研究在內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)不同種類溝槽的影響.為保證網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算效率，僅設(shè)計(jì)代表溝槽方向的寬紋，以定性描述不同類型溝槽的作用.溝槽的深度對(duì)摩擦力也有一定的影響[8]，由于內(nèi)襯層本身很薄，所以模型的溝槽深度統(tǒng)一設(shè)定為5 mm.設(shè)計(jì)橫向、縱向和斜向45°等3種溝槽，溝槽與被夾持管道的接觸面積基本相同.3種溝槽的鋼模模型見圖4.

3 仿真結(jié)果和分析

分別對(duì)有無內(nèi)襯層的無溝槽和3種不同方向溝槽等8種方案模型進(jìn)行數(shù)值仿真，獲得8種方案下吊卡的最大承載力，仿真結(jié)果見表2.由無溝槽方案1～4與有溝槽方案5～8的綜合比較可以看出：有PU內(nèi)襯層方案的最大總載荷普遍高于無PU內(nèi)襯層的方案.比較同為無溝槽的方案1與方案5，最大總載荷從332 t上升到1 337 t.這說明PU材料內(nèi)襯層的使用可以有效提升吊卡的摩擦力和承載能力.

通過有溝槽的方案2，3，4，6，7和8之間的結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：橫向和斜向溝槽的效果略好于縱向溝槽.因此，若要設(shè)計(jì)溝槽，應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)為橫向或斜向.

此外，同為有PU內(nèi)襯層的方案，有溝槽的方案6，7和8的極限載荷反而普遍低于無溝槽的方案5.4種無PU內(nèi)襯層方案的承載力相差并不大，表明最大總載荷的變化不是由于接觸面幾何形狀的變化造成的，而是由于管道與內(nèi)襯層間的接觸壓力提高導(dǎo)致PU材料的靜摩擦因數(shù)隨接觸壓力增大而減小造成的.有內(nèi)襯層的各方案中PU內(nèi)襯層表面接觸壓力的分布面積比例見圖5.由此可知：方案6，7和8中內(nèi)襯層表面的平均壓力要高于方案5，因此其PU材料表面的靜摩擦因數(shù)低于無溝槽方案的.

然而，還不能因此而完全否定設(shè)計(jì)溝槽的價(jià)值.方案模型中為保證單元質(zhì)量和計(jì)算效率，設(shè)計(jì)的溝槽寬度很大，因此會(huì)夸大接觸面積減少、接觸壓力提高的效應(yīng)；此外，溝槽主要通過增加表面之間的機(jī)械咬合來增大總摩擦力，因此以表面“光滑”的模型進(jìn)行計(jì)算不能完全反映溝槽對(duì)吊卡承載能力的貢獻(xiàn)，應(yīng)通過建立更為精細(xì)的仿真模型或試驗(yàn)進(jìn)一步確定溝槽的作用.現(xiàn)有方案模型的計(jì)算結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)溝槽時(shí)應(yīng)盡量采取細(xì)槽寬、大間隔，避免減小管道與吊卡的接觸面積，將接觸壓力維持在較低水平，以減少摩擦因數(shù)的衰減.

此外，由于吊卡常在多水潮濕的環(huán)境中使用，溝槽可以起到很好的排水作用，防止水分殘留在管道與吊卡之間.因此，適當(dāng)添加溝槽仍然有其必要性.

鋼模應(yīng)力分布見圖6.由此可知：鋼模凹槽的中部正壓力較大，是摩擦力的主要來源；兩側(cè)的正壓力和摩擦力都較小.因此，若設(shè)計(jì)溝槽，應(yīng)盡量保證中部接觸面積不減少，將溝槽布置在兩側(cè)，并采用斜向設(shè)計(jì)，利用水的自身重力實(shí)現(xiàn)排水效果.基于以上考慮，最終溝槽設(shè)計(jì)見圖7.在鋼模兩側(cè)的內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)斜向非貫通的矩形截面短溝槽，避免其延伸到鋼模中部，同時(shí)適當(dāng)分配溝槽間距，充分發(fā)揮溝槽的排水作用.

經(jīng)仿真計(jì)算，最終設(shè)計(jì)方案的最大極限載荷為1 148 t，其內(nèi)襯層表面接觸壓力的分布面積比例見表3.為方便對(duì)比，表中還列出其他幾種方案模型的結(jié)果，因此可以看出：最終設(shè)計(jì)方案內(nèi)襯層表面的平均壓力明顯低于方案6，7和8，接觸壓力的分布面積百分比與方案5接觸.與無溝槽方案5相比，其極限載荷只有較小的損失.因此，若吊卡在海上作業(yè)環(huán)境中使用，這種設(shè)計(jì)可以帶來較高的承載能力，再加上溝槽的排水作用，其實(shí)際應(yīng)用效果應(yīng)好于無溝槽設(shè)計(jì).

4 結(jié)束語

通過對(duì)摩擦式吊卡結(jié)構(gòu)的有限元仿真計(jì)算，分析影響吊卡承載能力的因素，驗(yàn)證PU材料內(nèi)襯層對(duì)提高摩擦式吊卡承載力的可行性和有效性；在PU內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)3種典型方向的溝槽，通過仿真驗(yàn)證不同情況下內(nèi)襯層表面接觸壓力的變化及其對(duì)總摩擦力的影響，確定溝槽設(shè)計(jì)和布置的思路.最終的設(shè)計(jì)方案通過在PU內(nèi)襯層上設(shè)計(jì)特殊的斜向非貫通短溝槽，避開接觸壓力較大的區(qū)域，限制內(nèi)襯層表面接觸壓力的提高，同時(shí)兼顧總摩擦力的提高與排水效果，將吊卡的極限載荷提高到1 148 t，并使之更加適應(yīng)海上工程的環(huán)境條件.該設(shè)計(jì)方案思路清晰，實(shí)施簡(jiǎn)單，對(duì)摩擦式吊卡的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義.

參考文獻(xiàn)：

[1]HOLMES G A. Magnetic clamp for underwater pelletizer： United States， US008454344B2[P]. 20130604.

[2]MSL Engineering Limited. Development of design guidance for neoprenelined clamps for offshore application[M/OL]. Caerphily： Health and Safety Executive. [20150901]. http：//www.hse.gov.uk/research/rrpdf/rr031.pdf. ISBN 0 7176 2577 X

[3]LI K W， CHEN C J. Effects of tread groove orientation and width of the footwear pads on measured friction coefficients[J]. Safety Science， 2005， 43（7）： 391405.

[4]MYSHKIN N K， PETROKOVETS M I， KOVALEV A V. Tribology of polymers： Adhesion， friction， wear， and masstransfer[J]. Tribology International， 2005， 38（1112）： 910921.

[5]BOWERS R C. Coefficient of friction of high polymers as a function of pressure[J]. Journal of Applied Physics， 1971， 42（12）： 49614970.

[6]BOWERS R C， ZISMAN W A. Pressure effects on the friction coefficient of thinfilm solid lubricants[J]. Journal of Applied Physics， 1968， 39（12）： 53855395.

[7]American Society for Testing and Materials. Standard test method for static and kinetic coefficients of friction of plastic film and sheeting： ASTM D 189406[S].

[8]LI K W， WU H H， LIN Y C. The effect of shoe sole tread groove depth on the friction coefficient with different tread groove widths， floors and contaminants[J]. Applied Ergonomics， 2006， 37（6）： 743748.

（編輯 于杰）