田玉芹，劉　璐

(1.青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427； 2.威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264300)

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超大型浮式結(jié)構(gòu)物連接器設(shè)計(jì)

田玉芹1，劉璐2

(1.青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427； 2.威海海洋職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264300)

針對(duì)機(jī)械行業(yè)的各種連接器特點(diǎn)，在研究MOB連接器的基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)一款新型球狀連接器，分析連接器的各部分功能，靜力強(qiáng)度計(jì)算校核表明，該連接器結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，符合使用要求。

超大型浮式結(jié)構(gòu)物；連接器；概念設(shè)計(jì)

超大型海洋浮式結(jié)構(gòu)物由于尺寸巨大，用途各異，從維護(hù)和使用角度的出發(fā)，其結(jié)構(gòu)必然是模塊化的，而模塊之間連接的連接器的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。通過研究分析很多行業(yè)的機(jī)械連接器，如車鉤緩沖裝置、軸轂復(fù)合連接裝置等，并在研究MOB連接器的基礎(chǔ)上，從第一代簡(jiǎn)單鉸接式連接器發(fā)展到第五代新型柔性連接器[1-2]中得到啟發(fā)，根據(jù)類似型模塊的連接器雛形，主要考慮強(qiáng)度，初步設(shè)計(jì)了適用于半潛式超大型浮式結(jié)構(gòu)物的一款柔性連接器——新型球狀連接器。

1　連接器的初步設(shè)計(jì)

1.1正極

正極分正極載體及中軸(見圖1)，除正極中軸以外的正極部分都為正極載體，而正極載體中最為重要的部分為其載體的中后部分(見圖2)，很多重要的保證強(qiáng)度的構(gòu)件都在此處。

圖1　連接器正極中軸

圖2　連接器正極載體中后部分

正極載體中后方的液壓裝置用來控制中軸的進(jìn)度，與正極載體中的連接器連接感應(yīng)，而連接器安裝在漏斗狀縮口的內(nèi)側(cè)，負(fù)責(zé)把中軸的受力變化情況的信號(hào)傳感至液壓裝置。當(dāng)因?yàn)楦◇w兩模塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)過大使得中軸某點(diǎn)受力過大時(shí)，液壓裝置就可以做出調(diào)整進(jìn)度的反饋，避免中軸的損害斷裂。在漏斗狀縮口的內(nèi)側(cè)，裝有橡膠，防止球頭和縮口的摩擦損壞。正極中軸采用兩個(gè)橢球體做為球頭，在連接時(shí)的快捷程度上比其他如立方體等的幾何體有很大優(yōu)勢(shì)，而又比同徑球體在成本和重量上有很大優(yōu)勢(shì)。

基于美國Brown&Root關(guān)于MOB連接器的研究[3]，設(shè)計(jì)正極空腔直徑為4.03 m，擴(kuò)張?zhí)幾畲笾睆? m；正極中軸外直徑4 m，內(nèi)直徑2 m，長(zhǎng)度12 m(不含球頭)，球頭橢球的長(zhǎng)軸長(zhǎng)為4 m，短軸長(zhǎng)為2.67 m。設(shè)計(jì)中軸板厚0.15 m，縮口厚度0.15 m,正極載體其他部分的厚度0.05 m。

1.2負(fù)極

負(fù)極結(jié)構(gòu)(見圖3)外側(cè)是一個(gè)開放性接口，方便球頭在一定范圍內(nèi)都能撞入負(fù)極內(nèi)部，而在接口邊緣與內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接的范圍內(nèi)，環(huán)內(nèi)部開口鋪設(shè)橡膠，防止球頭安裝撞擊時(shí)的強(qiáng)大沖力損壞結(jié)構(gòu)，而裝設(shè)橡膠以后可能導(dǎo)致球頭的橫向運(yùn)動(dòng)受阻，故在橡膠層表面的中間位置再鋪設(shè)一層薄鐵片做連接軌道，方便球頭順利的橫向移動(dòng)以便撞入連接口。

圖3　連接器主要負(fù)極結(jié)構(gòu)

在負(fù)極內(nèi)部空腔前，有一個(gè)彈性卡簧見圖4，可以在連接器連接初成的時(shí)候給予一定的緩沖作用，卡簧內(nèi)側(cè)也安裝有聯(lián)接器，反映受力變化的信號(hào)給負(fù)極后方的液壓裝置，配合正極中的整個(gè)感應(yīng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)正極中軸的進(jìn)度，防止應(yīng)力集中或者其他惡性損壞情況發(fā)生。

圖4　連接器負(fù)極彈性卡簧結(jié)構(gòu)

同樣基于MOB研究，設(shè)計(jì)橡膠層鋪設(shè)范圍直徑8 m，連接軌道占據(jù)橡膠層的中間，寬同球頭長(zhǎng)軸長(zhǎng)度4 m，負(fù)極內(nèi)部開口及空腔直徑為4.03 m；初步設(shè)計(jì)橡膠層厚度0.05 m，連接軌道鐵片厚度為0.01 m，彈性卡簧的厚度為0.15 m。其余負(fù)極的其他裝置的厚度均為0.05 m。

1.3連接器的連接過程

將正負(fù)極分別安裝在兩個(gè)超大浮式結(jié)構(gòu)物模塊中，當(dāng)定位完成后，連接過程便開始了。首先，正極處的液壓裝置推動(dòng)正極中軸向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)，隨著正極軸的運(yùn)動(dòng)，縮口處會(huì)隨著感應(yīng)到的壓力的減小逐漸縮小，直至卡住后部球頭；在中軸的移動(dòng)過程中，前球頭則慢慢伸出正極載體，直到撞上負(fù)極卡簧時(shí)，負(fù)極的液壓裝置開始工作，控制卡簧放松，使得連接器球頭能夠順利進(jìn)入空腔。這時(shí)，卡簧上的連接器可以感應(yīng)到壓力慢慢減小，卡簧則漸漸收緊，直至順利卡住前部球頭，由此開始，正極縮口上的連接器和負(fù)極卡簧上的連接器同時(shí)進(jìn)入正常工作常態(tài)，即在應(yīng)力過大情況下會(huì)傳感至液壓裝置，調(diào)整正極中軸的進(jìn)度。至此，整個(gè)連接器連接過程結(jié)束，連接過程見圖5～7。

圖5　連接器連接前

圖6　連接器連接過程中

圖7　連接器連接后

2　連接器的靜力強(qiáng)度校核

兩個(gè)模塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)決定了連接器的受力。兩個(gè)大型浮體一共有6自由度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，見圖8。分別是相對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)、相對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)、相對(duì)垂向運(yùn)動(dòng)、相對(duì)偏移、相對(duì)扭轉(zhuǎn)和后一個(gè)大型浮體相對(duì)于前一個(gè)大浮的相對(duì)前傾[4]。

圖8　超大型浮式結(jié)構(gòu)物各自由度相對(duì)運(yùn)動(dòng)

模塊之間的運(yùn)動(dòng)對(duì)連接器的正極軸影響最大，在設(shè)計(jì)的連接器中，正極和負(fù)極球頭和球桿連接處比較脆弱，但是縮口和卡簧內(nèi)部的連接器可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整進(jìn)度進(jìn)行保護(hù)。所以，相對(duì)來說，反而是伸出正極和正極結(jié)構(gòu)相交的部分最危險(xiǎn)。所以，靜力計(jì)算時(shí)對(duì)連接器中軸的模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，去掉球頭，只研究應(yīng)力較為集中的地方，即光軸上距負(fù)極較近的球頭1 m處，也就是連接完成后與正極中軸與正極載體的交界處。根據(jù)D.V.Ramsamooj，T.A. Shugar關(guān)于MOB連接器的研究及試驗(yàn)和理論證明，此處引起疲勞裂紋的力可以綜合成對(duì)環(huán)連接器軸的剪切力[5]，初步概念設(shè)計(jì)需要達(dá)到的負(fù)荷是每個(gè)連接器120 MN，這個(gè)載荷是設(shè)計(jì)載荷或最大工作載荷，基于安全系數(shù)1.5，而相對(duì)的屈服極限為448 MPa。 正極中軸連接后剪切力最大位置如圖9所示，其剖面剪切力如圖10所示。要滿足其強(qiáng)度和疲勞方面的要求，應(yīng)滿足以下要求：能承受剪切力：120 MN，極限剪應(yīng)力不大于552 MPa[6]。

圖9　連接后剪切力最大的位置

圖10　剪切力剖面圖

對(duì)于最簡(jiǎn)單的等斷面圓桿，斷面的最大剪應(yīng)力為

(1)

式中：M——轉(zhuǎn)矩，M=TD；

τ——剪切力；

通過給出條件可以求出最大轉(zhuǎn)矩M，最大轉(zhuǎn)矩所在截面稱為危險(xiǎn)截面

(2)

式中:[τ]——軸材料的許用切應(yīng)力。

不同材料的許用切應(yīng)力[τ]各不相同，通常由扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)得各種材料的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)極限應(yīng)力τu，并除以適當(dāng)?shù)陌踩驍?shù)n得到，即

(3)

根據(jù)公式，初步得出剪切力為78.4 MPa，遠(yuǎn)小于屈服極限552 MPa。最大應(yīng)力的理論分析值為118.3 MPa，取安全系數(shù)為1.5，則應(yīng)力為177.45 MPa，遠(yuǎn)小于極限屈服應(yīng)力448 MPa。這表明結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，但由于還需要考慮其他例如連接時(shí)動(dòng)態(tài)碰撞等實(shí)際問題，故不宜貿(mào)然減小尺寸。

4　結(jié)論

新型球狀連接器摒棄了傳統(tǒng)應(yīng)用于超大型浮式結(jié)構(gòu)物的機(jī)械連接器的雛形，結(jié)構(gòu)相較于原來簡(jiǎn)易機(jī)械連接器復(fù)雜了很多，但是其連接過程極其簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于此款連接器結(jié)構(gòu)中有多處液壓裝置、連接傳感裝置和防撞橡膠的運(yùn)用，使得連接器的強(qiáng)度在一定程度上得到了保證。此球狀連接器屬于前期概念設(shè)計(jì)，僅從理論粗略分析其合理性，后期還需進(jìn)行靜力仿真計(jì)算和動(dòng)態(tài)的碰撞分析，結(jié)合工程的具體應(yīng)用，進(jìn)一步分析。

[1] 王志軍,舒志，李潤(rùn)培，等.海洋浮式結(jié)構(gòu)物概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題[J].海洋工程,2001.

[2]余瀾,李潤(rùn)培,舒志.移動(dòng)式海上基地連接器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].海洋工程,2003.

[3] RAMSAMOOJ D V, SHUGAR T A. Reliability analysis of fatigue life of the connectors-the US Mobile Offshore Base[J]. Marine Structures, 2002,15:233-250.

[4] 崔維成,楊建民,吳有生,等.水彈性理論及其在超大型浮式結(jié)構(gòu)物上的應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2007：262-274.

[5] RAMSAMOOJ D V, SHUGAR T A. Prediction of fracture-based fatigue life of connectors for the mobile offshore base[J]. Marine Structures, 2001，14:197-214.

[6] 陸鑫森.高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,1992:46-47.

Design of the Connector for Very Large Floating Structures

TIAN Yu-qin1, LIU Lu2

(1.Qingdao Huanghai University, Qingdao Shandong 266427, China; 2.Weihai Ocean Vocational College, Weihai Shangdong 264300, China)

Based on the researches of the characteristics of the various machinery connector, especially for the MOB connectors, a new type of spherical connector is designed preliminarily. The function of each part of the connector is analyzed and its static strength is checked. It is proved that the designed connector meets the design specifications and the operation requirements.

very large floating structures; connector; concept design

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.035

2015-09-14

2015-10-13

2015年山東省民辦本科高校優(yōu)勢(shì)特色專業(yè)“船舶與海洋工程”支持計(jì)劃階段性研究成果；校級(jí)科研項(xiàng)目(2013dxkj01)

田玉芹(1978-)，女，學(xué)士，副教授

U674.38;P752

A

1671-7953(2016)01-0165-04

研究方向:船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

E-mail:tyqhjl@163.com