逯春亮，呂 雷，楊梓嘉

(1.渤海造船廠集團(tuán)有限公司 船舶設(shè)計研究院，遼寧 葫蘆島 125004；2.渤海船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

目前，船舶管路系統(tǒng)裝配應(yīng)力領(lǐng)域?qū)苈费b配應(yīng)力的力學(xué)分析模型的研究較少，沒有針對管路支撐件受力的應(yīng)力測量系統(tǒng)，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)管路支撐件在自由狀態(tài)下的安裝和定位，以致現(xiàn)階段在進(jìn)行管路安裝時，通常會對管路施加外力，使其與管路支撐件強(qiáng)制裝配。因此，需建立管路及其附件的三維分析模型，通過ANSYS軟件對其進(jìn)行受力分析和計算，以獲取理論計算數(shù)據(jù)；研發(fā)管路裝配應(yīng)力測量系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)，以獲取真實(shí)的受力數(shù)據(jù)；通過對理論計算數(shù)據(jù)和實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對生產(chǎn)設(shè)計管路布置進(jìn)行修正。對編排管模塊化裝配應(yīng)力測量技術(shù)進(jìn)行研究，通過設(shè)計測量裝置，準(zhǔn)確測量出裝配編排管時管路和管支架所受反力，并設(shè)計相應(yīng)的調(diào)整工裝，準(zhǔn)確調(diào)整安裝應(yīng)力的大小，使整個編排管系統(tǒng)各支架處的裝配應(yīng)力均衡，使其盡可能地達(dá)到理論狀態(tài)下的安裝狀態(tài)。

ANSYS軟件可對機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)特性和動態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析，本文根據(jù)其靜力學(xué)特性對排管管路進(jìn)行有限元力學(xué)分析。

1 測量工裝和測量裝置

1.1 三維柔性平臺

為精確測量編排管的裝配應(yīng)力，需在內(nèi)場預(yù)裝配過程中準(zhǔn)確裝配編排管。在預(yù)裝內(nèi)場管路過程中會產(chǎn)生大量自制件、支架和工裝，這些工裝往往為一次性工裝，不僅會對材料、人力資源、場地和施工周期造成極大浪費(fèi)，而且其精度會因制作質(zhì)量存在差異而參差不齊，不能為內(nèi)場預(yù)裝測量提供良好的測量環(huán)境。針對該情況，需設(shè)計一套可反復(fù)使用、精度高、可調(diào)節(jié)的三維柔性平臺，采用該平臺模擬實(shí)船安裝環(huán)境[1]。

三維柔性測量平臺研制包括基礎(chǔ)平臺、平臺工裝夾具、模擬艙壁(電永磁鐵焊接件)和平臺連接件等的研制，為典型的驗(yàn)證管路制作和安裝應(yīng)力應(yīng)變測量等基礎(chǔ)工裝。實(shí)現(xiàn)管路參照實(shí)船裝配情況進(jìn)行內(nèi)場定位和安裝，可測量管路的安裝坐標(biāo)位置。圖1為艙室級三維柔性平臺實(shí)際效果圖。

圖1 艙室級三維柔性平臺實(shí)際效果圖

1.2 編排管應(yīng)力測量工裝

傳統(tǒng)管支架由簡易角鋼支架按現(xiàn)場管路走向，經(jīng)切割焊接制作，布置精度低，可重復(fù)利用性差，為真實(shí)地模擬編排管支撐件的受力情況，準(zhǔn)確調(diào)整編排管的空間位置，設(shè)計一套編排管裝配應(yīng)力測量工裝[2]。

編排管應(yīng)力測量工裝由垂直升降調(diào)整支撐裝置、水平支架調(diào)整裝置、編排管保護(hù)設(shè)計、測力螺栓、拉壓載荷傳感器和精確測量設(shè)備等組成，滿足內(nèi)場平臺管路定位支撐和位置測量要求，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)場三維柔性平臺上根據(jù)編排管安裝坐標(biāo)進(jìn)行精確定位和安裝。圖2和圖3分別為編排管應(yīng)力測量工裝的理論模型和實(shí)際應(yīng)用場景。

圖2 編排管應(yīng)力測量工裝理論模型

圖3 編排管應(yīng)力測量工裝實(shí)際應(yīng)用場景

1.3 測量裝置及軟件

裝配應(yīng)力檢測技術(shù)研究的核心是測量裝置及其軟件的設(shè)計研究，其原理是通過傳感器采集應(yīng)力和應(yīng)變信號，并通過數(shù)據(jù)采集分析儀和軟件將這些信號轉(zhuǎn)化為電信號，最終轉(zhuǎn)化為能直接識別的數(shù)字信息。

數(shù)據(jù)采集分析儀作為編排管裝配應(yīng)力測量與計算軟件的載體，主要用于配合編排管裝配應(yīng)力測量工裝和傳感器，采集數(shù)據(jù)、調(diào)理及放大拉壓載荷傳感器和測力螺栓輸出的電信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字顯示出來。數(shù)據(jù)采集分析儀可采用1/4橋型和全橋型傳感器輸出的信號。數(shù)據(jù)采集分析儀上的信號輸入面板信號接口按傳感器的不同分為載荷傳感器測量模塊的信號接口和測力螺栓測量模塊的信號接口2個模塊。

1)拉壓載荷傳感器內(nèi)部包含一組全橋應(yīng)變片，能感知傳感器軸向上承受的拉載荷和壓載荷。拉壓載荷傳感器信號輸出端為十芯航插，其接口與數(shù)據(jù)采集分析載荷模塊的信號接口一一對應(yīng)，兩者采用連接電纜連接?？蓪鞲衅鲬?yīng)變片感知到的載荷信號輸入數(shù)據(jù)采集析儀中，并轉(zhuǎn)化為電信號，最終顯示為可理解的量化數(shù)值，并由此調(diào)整工裝，進(jìn)而調(diào)整支反力的大小。

2)測力螺栓傳感器內(nèi)部有一個1/4橋應(yīng)變片，能感知螺栓軸向發(fā)生的應(yīng)變。測力螺栓傳感器信號輸出端為三芯航插，與數(shù)據(jù)采集分析儀測量螺栓模塊的信號接口一一對應(yīng)。通過測量螺栓可精確測量出編排管兩側(cè)的受力狀態(tài)，由此確定編排管系統(tǒng)各管之間受力是否平衡，若不平衡，通過調(diào)整螺栓使其達(dá)到受力平衡。

應(yīng)力測量分析軟件是編排管應(yīng)力測量裝置的核心，為評判編排管安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提供真實(shí)數(shù)據(jù)支撐，包含測量通道配置、過程測量和數(shù)據(jù)分析等3部分。測量通道配置根據(jù)傳感器的不同分為載荷傳感器測量模塊配置和測量螺栓傳感器測量模塊配置，對測量通道的名稱、測量狀態(tài)、測量極值、應(yīng)變計因子、額定電阻、導(dǎo)線電阻和應(yīng)變應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[3]。

測量與顯示為該軟件的主體部分，通道設(shè)置完成之后，將被測編排管系統(tǒng)軸測背景圖插入，在背景圖上布置測點(diǎn)位置，由此即可測量當(dāng)前狀態(tài)下測點(diǎn)的受力情況，根據(jù)受力情況調(diào)整測量工裝，實(shí)時測量測點(diǎn)受力的變化。參數(shù)含義：

1)“是否啟用”指是否使用該通道進(jìn)行測量；

2)“通道名稱”指該測量通道使用的測力螺栓傳感器的編號，默認(rèn)與通道號一致；

3)“最大值/最小值”指該測量通道測量的應(yīng)變的最大值/最小值，默認(rèn)值為0.001 με/-0.001 με；

4)“應(yīng)變計因子”指該測量通道使用的測力螺栓傳感器和應(yīng)變計的靈敏系數(shù)，默認(rèn)值為2.01；

5)“額定電阻”指該測量通道使用的測力螺栓傳感器的額定電阻，默認(rèn)值為120 Ω；

6)“換算K1”指該測量通道使用的測力螺栓傳感器應(yīng)變到應(yīng)力的換算系數(shù)，默認(rèn)值是與該通道編號一致的傳感器的換算系數(shù)1。

測量數(shù)據(jù)分析：對多次測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種統(tǒng)計學(xué)分析，記錄并分析隨著測量工裝位移的調(diào)整，測點(diǎn)所受應(yīng)力和載荷的變化情況，并最終用表格輸出。

2 應(yīng)力的測量及分析

2.1 CATIA計算信息自動提取模塊

通過CAA編程提取CATIA模型的幾何信息，包括管路空間位置信息、管子規(guī)格與材料信息和支吊架空間位置信息等。圖4為提取的幾何信息。

圖4 提取的幾何信息

2.2 ANSYS模型仿真

根據(jù)從CATIA模型中獲取的幾何信息生成ANSYS APDL命令流文件。采用CAA程序調(diào)用該文件，可完成前處理、加載和求解工作。采用CAA程序調(diào)用編輯好的ANSYS APDL命令流文件，可完成后處理工作，將所需數(shù)據(jù)提取出來，并輸出計算文件[4-6]。

2.3 計算結(jié)果

通過讀取結(jié)果參數(shù)文件，將計算結(jié)果輸出為txt文件格式的參數(shù)，顯示在命令對話框中，包括最大應(yīng)力和每個支吊架的受力情況。圖5為有限元模型；圖6為計算結(jié)果輸出文件。

圖5 有限元模型

圖6 計算結(jié)果輸出文件

通過計算軟件對導(dǎo)入的管路模型進(jìn)行計算，可計算出重力狀態(tài)下支架所受應(yīng)力的大小，可在指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計管路布置時更加合理地進(jìn)行管支架布置，同時根據(jù)內(nèi)場預(yù)裝過程中測得的真實(shí)應(yīng)力數(shù)據(jù)調(diào)整管支架的空間位置和大小，以保證編排管裝配應(yīng)力盡可能地貼近理論計算值。

3 結(jié) 語

通過對編排管模塊化裝配應(yīng)力測量技術(shù)進(jìn)行研究，研制了編排管裝配測量檢測平臺組合樣機(jī)，達(dá)到了以下目標(biāo)：

1)三維柔性平臺，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)場編排管模塊化單元預(yù)裝中對全船編排管單元安裝環(huán)境的精確模擬，淘汰了大量內(nèi)場預(yù)裝臨時工裝制作，縮短了內(nèi)場預(yù)裝周期，減少了材料浪費(fèi)，大大提高了將內(nèi)場預(yù)裝結(jié)果轉(zhuǎn)嫁到實(shí)船上的精確性。

2)編排管應(yīng)力測量工裝，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)場預(yù)裝過程中管支架對管路空間位置的調(diào)節(jié)功能和對管路裝配應(yīng)力的測量功能。

3)編排管裝配應(yīng)力測量與計算軟件，實(shí)現(xiàn)了對管路裝配應(yīng)力的量化測量和對應(yīng)力調(diào)整的實(shí)時監(jiān)控。