臍帶纜張緊器履帶框架的有限元力學(xué)校核*

□ 賀向新 □ 王燕飛 □ 郭 煒 □ 李冠孚 □ 盧彥錚

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 呼和浩特 010051

1 概述

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的臍帶纜是電纜、光纜、鋼管、軟管或液壓缸的組合，整個(gè)系統(tǒng)包括深水臍帶纜終端、上部臍帶纜終端、連接部件等［1］。臍帶纜張緊器是鋪設(shè)臍帶纜的必備設(shè)備，主要作用是控制所鋪設(shè)管線的張力，使其保持在允許范圍內(nèi)，避免管線因超過(guò)許用應(yīng)力而遭到破壞或者因張力過(guò)小發(fā)生屈曲變形。85 t臍帶纜張緊器包括履帶總成、履帶框架、夾緊液壓系統(tǒng)，而其中的履帶框架起到支撐和承力作用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否可靠是非常重要的。履帶框架采用U型結(jié)構(gòu)，主要起固定整個(gè)履帶的作用，并保證履帶安全可靠地工作，在滑軌和液壓缸耳環(huán)的著力部位添加板梁，提高抗彎強(qiáng)度。左、右履帶框架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，既支撐上履帶又與下履帶焊接固定，左、右履帶以及上履帶的自重都將通過(guò)下履帶框架傳遞到底座上，所以左、右履帶框架與底座之間的連接必須安全、可靠。

履帶工作過(guò)程中，上履帶承受豎直方向的拉力，下履帶與底座固定連接，左、右履帶工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生水平方向的拉力。所以為了保證臍帶張緊器安全穩(wěn)定地工作，基于ANSYS對(duì)上、左、右履帶框架進(jìn)行有限元分析。

2 履帶框架力學(xué)分析

2.1 建立左履帶框有限元實(shí)體模型

由于臍帶張緊器的左、右履帶框是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以僅對(duì)左履帶進(jìn)行分析。履帶框架的模型非常復(fù)雜，先在UG中建立其實(shí)體幾何模型，然后利用UG與ANSYS接口，將UG幾何實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為有限元實(shí)體幾何模型，再進(jìn)行有限元分析。另外，為節(jié)省分析時(shí)間，在不影響分析結(jié)果的前提下，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，故在保證框架承力主體部分不變的情況下（即筋板、支撐梁、橫梁的結(jié)構(gòu)不變），刪去倒角、螺紋孔及其它不影響受力的結(jié)構(gòu)。對(duì)于左履帶框架模型，選擇Solid 95實(shí)體單元。由于框架在工作中承受的拉力比較大，作為外部結(jié)構(gòu)需要高的強(qiáng)度，則材料選取碳鋼Q420，材料的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，最后分段劃分網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 主框架網(wǎng)格劃分示意圖

▲圖3 主框架施加約束與載荷示意圖

▲圖4 主框架受力狀態(tài)下應(yīng)力云圖

2.2 左履帶框架靜力分析

在臍帶纜張緊器額定工況下 （履帶所受的拉力為30 t/m），施加在框架上的力為：

F=30×3×1 000×9.8/2=441 kN

上履帶框架通過(guò)4根直梁與左、右履帶梁連接，拉力通過(guò)該4根直梁傳遞，接觸面積為4個(gè)小平面，平面上的應(yīng)力為：

P=F/4/（200×1 060）=0.52 MPa

均布載荷P=0.52 MPa，200 mm×1 060 mm為上履帶框架與左、右履帶梁接觸面積，大小與實(shí)際模型一致。鋼結(jié)構(gòu)左、右履帶架的底部與底框架固定相連，在框架模型的底部施加全約束。

由圖3可看出鋼結(jié)構(gòu)履帶框架的約束與載荷施加情況，在左履帶框架與上履帶框架連接的部位施加均布載荷，與下履帶連接的部位施加全約束。

圖4是主框架受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖，履帶框架幾乎所有的部位所受的最大應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)σmax=100 MPa。主框架材料選取碳鋼Q420，屈服強(qiáng)度σS=380 MPa。 顯然有 σmax＜σS，所以鋼結(jié)構(gòu)履帶框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足使用要求。

從圖4中可以看出，在梁焊接部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中，但其應(yīng)力集中部位非常小，可以忽略不計(jì)。但僅考慮主框架的強(qiáng)度滿足要求是不夠的，還要考慮在受力條件下的結(jié)構(gòu)變形情況是否也滿足實(shí)際要求。

從圖5可以看出鋼結(jié)構(gòu)主框架的最大變形量為0.001 mm，對(duì)于履帶框架來(lái)說(shuō)，變形結(jié)構(gòu)很小，可以滿足實(shí)際要求，因此鋼結(jié)構(gòu)主框架的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)合理。

3 上履帶框架力學(xué)分析

3.1 建立上履帶框有限元實(shí)體模型

上履帶框架的模型非常復(fù)雜，采用處理左右履帶框架的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在保證框架承力主體部分不變的情況下 （即筋板結(jié)構(gòu)、支撐梁、橫梁的結(jié)構(gòu)不變），刪去倒角、螺紋孔及其它不影響受力的結(jié)構(gòu)。對(duì)于上履帶框架模型，選擇Solid 95實(shí)體單元。由于框架在工作中承受的壓力比較大，作為外部結(jié)構(gòu)需要高的強(qiáng)度，材料選取碳鋼Q420，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。對(duì)上履帶框?qū)嶓w模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖6所示。

3.2 上履帶框架靜力分析

在臍帶纜張緊器額定工況下 （履帶所受的拉力為30 t/m），施加在框架上的力為：

F=30×3×1 000×9.8=882 kN

上履帶通過(guò)4個(gè)液壓缸耳環(huán)與上履帶框架連接，壓力通過(guò)這4個(gè)液壓缸耳環(huán)傳遞，接觸面積為8個(gè)小圓環(huán)面，環(huán)面上的應(yīng)力為：

P=F/8/（π×30×40）=29.24 MPa

均布載荷P=29.24 MPa，π×30 mm×40 mm為上履帶液壓缸與液壓缸耳環(huán)接觸面積，大小與實(shí)際模型一致。上履帶框架的底部與左、右履帶框架固定相連，在框架模型的底部施加全約束。

▲圖5 主框架受力狀態(tài)下變形云圖

▲圖6 主框架網(wǎng)格劃分示意圖

▲圖7 主框架施加約束與載荷示意圖

▲圖8 主框架受力狀態(tài)下應(yīng)力云圖

▲圖9 主框架受力狀態(tài)下變形云圖

從圖7可看出鋼結(jié)構(gòu)履帶框架的約束與載荷施加情況，在上履帶框架的液壓缸耳環(huán)部位施加均布載荷，與左、右履帶框架連接部位施加全約束。

圖8是主框架受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布圖，履帶框架所受的最大應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)σmax=308.69 MPa。履帶框架材料選取碳鋼Q420，屈服強(qiáng)度σS=380 MPa。顯然有σmax＜σS，所以鋼結(jié)構(gòu)主框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足使用要求。

但僅考慮主框架的強(qiáng)度滿足要求是不夠的，還要考慮在受力條件下結(jié)構(gòu)變形情況是否也滿足實(shí)際要求。從圖9可看出鋼結(jié)構(gòu)主框架的最大變形量為0.007 mm，對(duì)于履帶框架來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)變形很小，可以滿足實(shí)際要求，因此履帶框架的鋼結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)是合理的。

4 總結(jié)

85 t臍帶纜張緊器履帶框架是保證臍帶纜張緊器結(jié)構(gòu)安全、正常工作的重要承載部件，由有限元仿真分析可知，在承載最大的工況下，上、左、右履帶框架所承受最大應(yīng)力強(qiáng)度小于其屈服強(qiáng)度，并僅產(chǎn)生微小變形，雖局部焊接位置有微小應(yīng)力集中，但基本不會(huì)影響其使用安全及工作性能。因此履帶框架的設(shè)計(jì)完全符合實(shí)際工程需要。

［1］ 孫晶晶，劉培林，段夢(mèng)蘭，等.深水臍帶纜安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：1-5.

［2］ 李金泉，陳懇，楊向東.基于有限元法的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主框架靜力學(xué)校核與靜態(tài)分析 ［J］.設(shè)計(jì)與研究，2006（9）：21-23.

［3］ 康守權(quán)，張奇峰.遙控水下機(jī)器人臍帶纜收放絞車(chē)設(shè)計(jì)及牽引力分析［J］.海洋工程，2010，28（1）：117-120.

［4］ 姚惠惠.基于ANSYS的水電站鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的應(yīng)力分析及優(yōu)化校核設(shè)計(jì) ［D］.太原：太原理工大學(xué)，2008.

［5］ 賀五一，龍?jiān)矗探▌偅?80m高鋼筋混凝土煙囪爆破拆除力學(xué)校核 ［C］.2004年第八屆全國(guó)爆炸與安全技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2004:91-97.