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        單點(diǎn)系泊系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)甲板的強(qiáng)度分析*

        2018-09-01 01:48:00
        機(jī)械制造 2018年6期
        關(guān)鍵詞:變形結(jié)構(gòu)分析

        武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430070

        1 研究背景

        單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是一種特殊的海洋工程裝備,主要作用是通過纜繩或特定結(jié)構(gòu)將浮體系泊在一定的海域,同時(shí)使浮體可以繞系泊點(diǎn)作360°回轉(zhuǎn),并且可以將浮體的油、氣、水和電信號(hào)等輸入海底管線,或?qū)⒑5坠芫€的信號(hào)輸送至浮體[1-2]。旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)是單點(diǎn)系泊系統(tǒng)連接固定結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件,它承載著被系泊裝置在風(fēng)浪流等狀況下通過系泊剛臂傳遞的載荷,還能繞導(dǎo)管架中心旋轉(zhuǎn)。

        旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要組成部分包括軸承座、主立柱、旋轉(zhuǎn)甲板及吊機(jī)安裝座等。在單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中,旋轉(zhuǎn)甲板是重要的受力部件,其中系泊頭掛鉤由于受到交變載荷的作用,極有可能發(fā)生疲勞損壞,所以對旋轉(zhuǎn)甲板進(jìn)行強(qiáng)度分析很有必要,這有利于對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理[3-4]。筆者通過簡化模型分析旋轉(zhuǎn)甲板的受力情況。

        2 旋轉(zhuǎn)甲板模型

        對旋轉(zhuǎn)甲板建模,導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行計(jì)算分析[5]。當(dāng)旋轉(zhuǎn)甲板所受系泊力最大值時(shí),校核旋轉(zhuǎn)甲板結(jié)構(gòu)相應(yīng)的強(qiáng)度。為了便于計(jì)算分析,對模型進(jìn)行簡化,將支座內(nèi)圈與轉(zhuǎn)盤軸承的連接簡化為固定接觸。結(jié)構(gòu)材料彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m3。

        由于旋轉(zhuǎn)甲板的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,應(yīng)用ANSYS Workbench軟件Static Structural模塊進(jìn)行受力分析,校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。旋轉(zhuǎn)甲板網(wǎng)格劃分模型如圖2所示,其中,有限元模型采用實(shí)體單元來劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格由四面體與六面體構(gòu)成,不帶銷軸和壓蓋時(shí),模型共有279 103個(gè)節(jié)點(diǎn)、80 009個(gè)單元,帶銷軸和壓蓋時(shí),模型共有312 927個(gè)節(jié)點(diǎn)、98 929個(gè)單元。

        3 模型加載

        旋轉(zhuǎn)甲板主要承受軟管甲板的質(zhì)量,并通過四根立柱傳遞到旋轉(zhuǎn)塔臺(tái),作用在相應(yīng)的環(huán)形孔面上。每根立柱承受力為250 kN,吊機(jī)安裝座的重力約為300 kN,另外額外承受橫向和縱向系泊力分別為3 000 kN和1 750 kN,作用在系泊頭掛鉤處。旋轉(zhuǎn)甲板整體與桁架主軸焊接在一起,對旋轉(zhuǎn)甲板下端環(huán)形面進(jìn)行固定,作為變形的參考,掛鉤處以軸承載荷進(jìn)行加載。

        ▲圖1 旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

        ▲圖2 旋轉(zhuǎn)甲板網(wǎng)格劃分模型

        4 強(qiáng)度分析

        4.1 不帶壓蓋和銷軸

        通過求解計(jì)算,在極端海況下,旋轉(zhuǎn)甲板不帶壓蓋和銷軸時(shí)變形量和應(yīng)力分布如圖3所示,相應(yīng)的掛鉤局部變形量和應(yīng)力分布如圖4所示[6]。

        由圖3和圖4可知,旋轉(zhuǎn)甲板的最大變形量達(dá)到2.36 mm,完全在鋼結(jié)構(gòu)件可承受的范圍之內(nèi)(<5.5 mm)[7-8]。由系泊力產(chǎn)生的軸承載荷在掛鉤處的應(yīng)力為100 MPa左右,最大應(yīng)力出現(xiàn)在掛鉤與中心筒體焊接的部位,達(dá)到268 MPa,小于相應(yīng)的材料屈服強(qiáng)度的許用應(yīng)力(384 MPa)[9],所以旋轉(zhuǎn)甲板整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

        ▲圖3 旋轉(zhuǎn)甲板不帶壓蓋和銷軸時(shí)強(qiáng)度分析

        ▲圖4 旋轉(zhuǎn)甲板不帶壓蓋和銷軸時(shí)掛鉤局部強(qiáng)度分析

        4.2 帶壓蓋和銷軸

        通過求解計(jì)算,在極端海況下,旋轉(zhuǎn)甲板帶壓蓋和銷軸時(shí)變形量和應(yīng)力分布如圖5所示,相應(yīng)的掛鉤局部變形量和應(yīng)力分布如圖6所示。

        由圖5和圖6可知,旋轉(zhuǎn)甲板的最大變形量達(dá)到1.66 mm,相比于不帶壓蓋和銷軸時(shí)的變形量要小[10-11]。由系泊力產(chǎn)生的軸承載荷在掛鉤處的應(yīng)力為100 MPa左右,最大應(yīng)力也出現(xiàn)在掛鉤與中心筒體焊接的部位,達(dá)到 255 MPa,小于規(guī)范中的規(guī)定值[12]。

        ▲圖5 旋轉(zhuǎn)甲板帶壓蓋和銷軸時(shí)強(qiáng)度分析

        ▲圖6 旋轉(zhuǎn)甲板帶壓蓋和銷軸時(shí)掛鉤局部強(qiáng)度分析

        5 結(jié)論

        通過對旋轉(zhuǎn)甲板計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,可知旋轉(zhuǎn)甲板整體受力比較合理。帶銷軸和壓蓋時(shí),旋轉(zhuǎn)甲板的最大變形量比不帶銷軸和壓蓋時(shí)的最大變形量要小0.7 mm,掛鉤處的應(yīng)力分布基本相同,均在100 MPa左右,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在掛鉤與中心筒體焊接的部位,且均小于相應(yīng)的材料屈服強(qiáng)度(384 MPa)。綜合上述情況分析可知,帶銷軸和壓蓋的旋轉(zhuǎn)甲板整體受力較不帶銷軸和壓蓋的情況要好,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi),這有利于旋轉(zhuǎn)塔臺(tái)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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