鋪管船用張緊器主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、<p>　　鋪管船用張緊器主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：張緊器是海洋鋪管的關(guān)鍵設(shè)備，張緊器主梁性能對鋪管作業(yè)起著至關(guān)重要的作用。目前國內(nèi)有關(guān)張緊器的設(shè)計(jì)研究較少，本文對電動張緊器主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化研究，進(jìn)而得出了通用性較好的張緊器主梁。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：鋪管船 張緊器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì) </p>

2、;<p>　　海上開采出的油氣主要通過海底管線輸送到陸地，先進(jìn)可靠的海底管線鋪設(shè)技術(shù)越來越顯得重要。鋪管船用張緊器是鋪管船法鋪設(shè)海洋管道的關(guān)鍵設(shè)備。主要作用有兩個(gè)方面：一是起固定管線的作用，使得船上的焊接作業(yè)得以進(jìn)行；另一方面是起到保持管線恒張力的作用，使得鋪管船在潮漲、潮落和受風(fēng)浪等作用升沉和搖蕩時(shí)，使管線張力保持在允許值范圍內(nèi)，避免管線超過許用應(yīng)力而遭到破壞[1]。履帶系統(tǒng)主梁是張緊器設(shè)備中重要部件，主梁裝置對張緊器設(shè)

3、備的整體性能的發(fā)揮十分重要，因此主梁是張緊器設(shè)計(jì)的重點(diǎn) </p><p>　　一、優(yōu)化模型的建立 </p><p>　　優(yōu)化分析就是將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成帶有設(shè)計(jì)變量的數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)理論上講就是將設(shè)計(jì)構(gòu)造成一個(gè)約束非線性規(guī)劃問題。張緊器優(yōu)化問題可以歸于約束非線性規(guī)劃問題。對于約束非線性規(guī)劃問題，在有限元方法中是根據(jù)約束變分原理采用罰函數(shù)法將其轉(zhuǎn)化成求修正泛函的駐值問題[2]。 </p>

4、<p>　　1.設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)的選取 </p><p>　　對于張緊器主梁來說，其優(yōu)化設(shè)計(jì)選取質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對于給定外形尺寸的主梁來說，質(zhì)量住院起哦取決于主梁各板的厚度，設(shè)各板的厚度為 （ ），用向量表示為 </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　目標(biāo)函數(shù)可以表示為 </p><

5、;p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中， 為材料的密度， 為各板的厚度， 為對應(yīng)厚度板的面積。 </p><p>　　2.約束條件及計(jì)算方法 </p><p>　　為保證主梁能夠安全可靠的工作，需滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求，為此可以建立以下約束條件。 </p><p><b>　　

6、應(yīng)力約束條件為： </b></p><p><b>　　剛度約束條件為： </b></p><p>　　變量的取值邊界條件為： </p><p>　　式中 和 分別為為結(jié)構(gòu)中最大應(yīng)力和最大變形量； 和 分別為為許用應(yīng)力值和許用變形量； 為各板厚度。 </p><p>　　采用罰函數(shù)法是引入權(quán)因子 ，把帶有約束

7、條件的約束函數(shù)加給目標(biāo)函數(shù)，形成廣義的增廣函數(shù)，即[3] </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中， 為約束條件的函數(shù)。 </p><p>　　二、張緊器主梁的設(shè)計(jì) </p><p>　　張緊器主梁結(jié)構(gòu)組成為：在主梁長度方向上有兩個(gè)矩形的翼板，在翼板兩側(cè)的中下部有分別連接一個(gè)水平的板，該板

8、主要為支重輪安裝使用，板下部有加強(qiáng)筋板；翼板兩端為和張緊器框架連接板和梁等結(jié)構(gòu)。根據(jù)張緊器的工作要求及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行主梁的二維設(shè)計(jì)與三維設(shè)計(jì)。 </p><p>　　二維模型采用CAD軟件設(shè)計(jì)，三維模型采用Pro/e建立。由于主梁上還安裝有支重輪等部件，本研究只設(shè)計(jì)主梁整體焊接部分，結(jié)果如圖1和圖2所示。 </p><p>　　三、張緊器主梁的優(yōu)化分析 </p><p&g

9、t;　　張緊器主梁結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，難以建立微分方程組、確定的邊界條件和初值條件，為了解決這個(gè)問題，我們常常要借助于數(shù)值方法來求近似解。ANSYS作為現(xiàn)今主流的有限元軟件，其在有限元分析時(shí)具有強(qiáng)大的功能，因此，本文采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析。 </p><p>　　圖1 張緊器主梁二維設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 </p><p>　　圖2 張緊器主梁三維結(jié)構(gòu)示意圖 </p><p

10、>　　1.主梁的有限元分析 </p><p>　　1.1建模及邊界條件 </p><p>　　1.1.1有限元模型建立。直接在ANSYS中采用自上而下的實(shí)體建模。 </p><p>　　1.1.2單元類型選擇及參數(shù)確定。主梁選用SHELL63單元，材料為Q345鋼，彈性模量為2.06e11，泊松比0.3，密度7850kg/m3 </p><

11、p>　　1.1.3網(wǎng)格劃分及加載。采用控制單元大小的網(wǎng)格劃分；主梁和框架連接處完全約束，和鏈輪連接處加力 </p><p><b>　　1.2計(jì)算結(jié)果 </b></p><p>　　根據(jù)張緊器作業(yè)時(shí)的實(shí)際受載情況加載結(jié)果如圖3所示。 </p><p>　　圖3 主梁受載后應(yīng)力云圖 </p><p>　　從分析結(jié)果的

12、圖3可以看出，加載后，主梁的最大應(yīng)力為285.425MPa，發(fā)生在主梁兩側(cè)平板和連接板處，此處應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他地方的應(yīng)力，應(yīng)力集中。這是由于在建模時(shí)對此處連接的處理采用直角過渡，因此造成應(yīng)力集中，但此處的應(yīng)力并不能反映真實(shí)的情況，在實(shí)際建造中是可以采取措施避免。主梁其他非應(yīng)力集中處最大應(yīng)力水平為150MPa左右，大部分區(qū)域都在70MPa左右，主梁結(jié)構(gòu)的材料為Q345鋼，材料的屈服強(qiáng)度355MPa，可知主梁的最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，安全

13、系數(shù)為2.47，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度上是安全的。 </p><p>　　從圖3知，除應(yīng)力集中外，其他處應(yīng)力都不大，存在材料浪費(fèi)。因此需要對主梁結(jié)構(gòu)和板的尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化以減少用材量，減輕整個(gè)設(shè)備的重量 </p><p>　　2.張緊器主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化 </p><p>　　根據(jù)ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，需要指出優(yōu)化過程中的設(shè)計(jì)變量（DV）、狀態(tài)變量（SV）和目標(biāo)函數(shù)（OBJ）[

14、4]。設(shè)定零階方法，程序中設(shè)置的最大迭代次數(shù)為20次，程序循環(huán)了18次之后由于結(jié)果收斂就停止。分析完成后通過OPLIST命令查看分析結(jié)果如圖4所示。 </p><p>　　圖4 主梁材料體積變化規(guī)律 </p><p>　　從主梁所用材料的體積變化規(guī)律來看，第8階的時(shí)候體積最小，這時(shí)各個(gè)參數(shù)的情況如表1所示。 </p><p>　　表1 體積最小各設(shè)計(jì)變量值 <

15、/p><p>　　表1是主梁所用材料體積最小時(shí)各個(gè)設(shè)計(jì)變量的值，也就是各個(gè)板的厚度，以上數(shù)據(jù)是計(jì)算結(jié)果，具體采用還要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行取舍和改變。由主梁在整個(gè)張緊器的位置和作用知道，主梁在縱向上可以看成一個(gè)簡支梁，最可能發(fā)生有由于剛度不夠而變形，在橫向上可能由于箱體兩側(cè)板（T1）剛度不夠而被支撐拖輪的板撕裂變形，更有甚者可能被撕裂破壞。由于箱體兩側(cè)的板作用很大，此處設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮。而對于箱體中間的加強(qiáng)板（T3和T4）

16、和拖輪支撐板下的加強(qiáng)筋，在強(qiáng)度和剛度都滿足的情況下可以適當(dāng)減薄。 </p><p>　　根據(jù)上面的討論情況，最終確定的各個(gè)板的厚度如表2所示 </p><p>　　表2 最終確定主梁的參數(shù) </p><p>　　以最終確定的尺寸重新建立模型進(jìn)行分析，分析的結(jié)果如圖5所示。 </p><p>　　圖5 優(yōu)化主梁的應(yīng)力云圖 </p>

17、<p>　　由圖5知道，優(yōu)化后主梁的最大應(yīng)力為355MPa，比優(yōu)化前稍大，這是因?yàn)閮?yōu)化后各個(gè)板的厚度都有所減小，而此處仍為應(yīng)力集中，原因同結(jié)構(gòu)優(yōu)化前。根據(jù)分析，我們最關(guān)心的是箱體左右的板或左輪支撐板上應(yīng)力的大小，從圖5可以看出，它們的最大應(yīng)力都沒有超過材料的屈服極限，所以結(jié)構(gòu)是安全的。而且優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的總重量減輕了14.14%，減少了用材料的量，降低了成本 </p><p><b>　　四、結(jié)

18、論 </b></p><p>　　本文以鋪管船用張緊器主梁為研究對象，利用ANSYS進(jìn)行了有限元分析，針對分析表現(xiàn)的不足進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化，使設(shè)備的重量大大減少，降低了生產(chǎn)制作成本。本文只是從尺寸方面進(jìn)行的優(yōu)化研究，但對于具體的設(shè)計(jì)仍有借鑒意義 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] M.R.Mi

19、tchell，J.Gessureaule.A constant tension winch：design and test of a simple passive system.Ocean Engineering，1992，5（19）：489-496. </p><p>　　[2] 岳中第，林承禎.基于ANSYS的整體結(jié)構(gòu)分析技術(shù).ANSYs2000年會論文集. </p><p>　　[3