李澤邦 ，李 森 ，劉太元 ，谷春華

1.青島海洋工程水下設(shè)備檢測有限公司，山東青島 266000

2.國家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗中心（山東），山東青島 266000

3.中機試驗裝備股份有限公司，吉林長春 130012

全尺寸管道軸向疲勞試驗機主要用于各類型海底管道的軸向疲勞試驗，試驗機的夾具是全尺寸管道軸向疲勞試驗機的關(guān)鍵部件，而目前軸向疲勞試驗機的夾具大多僅適應(yīng)于小尺寸試樣測試，無法滿足全尺寸試樣的測試要求。因此需要對其進行設(shè)計，并驗證關(guān)鍵部件受力情況變化，以保證整體、局部結(jié)構(gòu)的強度、剛度、壽命滿足試驗要求[1-6]。

1 夾具的設(shè)計

國家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗中心為了進行全尺寸管道疲勞測試，研發(fā)了一臺全尺寸管道軸向疲勞試驗機，該試驗機最高能夠?qū)崿F(xiàn)10000kN 動態(tài)或20000kN 靜態(tài)的拉壓試驗。其中的關(guān)鍵部位夾具由夾頭、連接軸、球面壓頭、推拉盤、試樣安裝法蘭、螺栓等組成，其剖面示意如圖1 所示。

圖1 夾具剖面示意

其中連接軸與夾頭相連，內(nèi)側(cè)安裝球面壓頭和推拉盤，外側(cè)安裝鎖緊螺母夾緊U 型壁；試樣安裝法蘭通過螺栓與連接軸相連。

2 有限元分析

試驗機的夾具在進行測試時，會承受很大的負荷，尤其是夾具的螺栓和夾頭。為了驗證軸向疲勞試驗機夾具螺栓和夾頭的強度和疲勞壽命，采用有限元分析軟件ANSYS 對其進行分析。

2.1 螺栓的靜力強度分析

在對試樣進行20000kN 拉伸測試時，螺栓受力最大，故此處僅對拉向負載進行計算分析，得到法蘭盤整體應(yīng)力云圖如圖2 所示，可以看出法蘭盤整體承載情況良好。得到螺栓應(yīng)力云圖如圖3（a） 所示，可以看出較大應(yīng)力處主要集中于螺栓頭部，最大應(yīng)力為972.06MPa；螺栓的頭部變形量很小，如圖3（b） 所示，可以滿足設(shè)計要求。螺栓材料選取為50CrVA，其屈服強度σs≥1127MPa，高于計算所得螺栓承載的最大應(yīng)力（972.06MPa），符合設(shè)計及使用要求。

圖2 法蘭盤整體應(yīng)力云圖/MPa

圖3 螺栓應(yīng)力應(yīng)變云圖

2.2 螺栓的疲勞分析

對試樣進行10000kN 動態(tài)載荷測試時，采用ANSYS 對夾具中的螺栓進行疲勞分析，螺栓的疲勞壽命云圖見圖4，安全系數(shù)云圖見圖5。

圖4 螺栓及半剖視疲勞壽命云圖

圖5 螺栓安全系數(shù)云圖

從圖4 中可以看出螺栓疲勞壽命基本在1×108～1×109之間，所分布位置與圖5 安全系數(shù)云圖對應(yīng)。默認設(shè)計疲勞壽命為1×109時螺栓絕大部分安全系數(shù)大于2.5，符合要求。從圖5 中可以看出最小安全系數(shù)0.185 位置在螺栓頭部圓角處，與實際螺栓易損區(qū)域相符，不影響整體的設(shè)計使用需求。

2.3 夾頭的靜力強度分析

夾頭受到最大靜載為±20000kN，最大動載荷±10000kN，取夾頭軸向承載Qmax=20000kN。根據(jù)此受力情況對夾頭進行有限元分析，夾頭的位移分布及應(yīng)力云圖見圖6。

從圖6 可以看出，夾頭的最大位移出現(xiàn)在夾頭內(nèi)腔體加載端面開口處，最大位移變形為0.64mm，夾具絕大部分應(yīng)力小于284 MPa，最大應(yīng)力為638.79MPa，位置在夾頭內(nèi)腔體加載環(huán)形端面與側(cè)面連接處表面。螺栓連接處應(yīng)力范圍為100～200MPa。材料選取42CrMo，其屈服極限值為σs=930MPa，則安全系數(shù)為930/638.79≈1.5＞1，滿足使用要求。

2.4 夾頭疲勞壽命分析

該試驗機可以進行最大動載荷±10000kN 的疲勞測試，通過分析軟件后處理功能得出夾頭的壽命云圖和安全系數(shù)云圖，如圖7、圖8 所示。

從圖7 中可以看出夾頭疲勞壽命整體基本在1×109，所分布位置與安全系數(shù)云圖對應(yīng)。從圖8中可以看出，默認設(shè)計疲勞壽命為1×109時夾頭絕大部分安全系數(shù)大于5，符合要求。最小安全系數(shù)0.37，位于夾具內(nèi)腔與大螺母連接處及附近臺階表面。夾頭整體滿足使用要求。

圖6 夾頭位移應(yīng)力云圖（半剖視）

圖7 夾頭疲勞壽命云圖（半剖視）

圖8 夾頭安全系數(shù)云圖

3 試驗應(yīng)用

國家海洋設(shè)備質(zhì)量檢驗中心在利用該全尺寸管道軸向疲勞試驗機為某D 1016mm的管道進行測試時，靜態(tài)拉伸力達到16000kN，疲勞測試時拉伸力達到8000kN，測試力值達到整臺試驗機設(shè)計的80%，夾具未受到損傷，說明此套夾具的設(shè)計與分析能夠滿足試驗機的需求。

4 結(jié)束語

本文介紹了全尺寸管道軸向疲勞試驗機夾具的特點，分析了夾具中螺栓和夾頭在20000kN作用力下的力學(xué)性質(zhì)，并對其靜力強度和疲勞性質(zhì)進行了有限元分析，最大應(yīng)力低于材料的抗拉強度，達到設(shè)計要求，驗證了夾具的可靠性，為全尺寸管道軸向疲勞試驗機夾具的設(shè)計提供了依據(jù)。