基于Workbench的深海鉆機收放機構有限元分析

曾欽　嚴燦　畢仁貴

摘 要：以深海鉆機收放機構為研究對象，建立收放機構SolidWorks模型并簡化，利用Workbench對收放機構進行有限元分析。通過對收放機構整體結構以及收放液壓缸、支撐底座及各鉸接點的連接銷軸等關鍵零部件在最大工作載荷工況下的應力應變云圖進行分析，驗證了各零件強度、剛度符合實際使用需求，為深海鉆機收放機構的設計提供了理論基礎。

關鍵詞：深海鉆機;收放機構;有限元分析;應力應變

中圖分類號：U674.38文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.017

Abstract： A launch and recovery mechanism of a deep-sea drilling was chosen as the study object， and builds and simplifies the model of launch and recovery mechanism using SolidWorks. Finite element analysis of launch and recovery mechanism is carried out by using Workbench. By analyzing the stress-strain nephogram of the whole structure of the launch and recovery mechanism and the key components such as the hydraulic cylinder， the support base and the connecting pin axle of each hinge point under the maximum working load， The results show that the strength and stiffness of each component meet the actual application requirements， which provides a theoretical basis for the design of the launch and recovery mechanism of deep-sea drilling.

Keywords： deep-sea drilling;launch and recovery mechanism;finite element analysis;stress-strain

0 引言

深海鉆機是開展海洋地質調查及海洋環境科學研究、進行海底資源勘探所必須的技術裝備[1-3]。深海鉆機收放機構作為深海鉆機作業平臺最重要的安全配套裝備，其主要作用是將深海鉆機由母船甲板下放至海底指定鉆探位置，待作業完成或受其他環境因素導致意外情況出現時，再由海洋絞車將鉆機從海底回收至母船甲板中央，受限于鉆機母船甲板作業空間局促、能源補給困難、維修環境不便及海洋環境復雜等問題，對鉆機收放機構作業過程的安全可靠要求極高[4-5]。深海鉆機收放機構主要由固定在母船甲板上的支撐底座、支撐鉆機的鉆機托架及帶動鉆機翻轉的收放液壓缸等部分構成。其中三個零件及他們之間的鉸接點為主要的受力機構和承載點，我們采用有限元分析來研究其結構的可靠性、促進其結構的優化設計。

本文以深海鉆機收放機構為分析對象，通過建立收放機構SolidWorks三維模型，利用Workbench對收放機構進行有限元分析，得出收放機構整體結構強度、剛度及各關鍵零部件和鉸接點受力情況等數據，并對得出的曲線進行分析。

1 收放機構整體分析

收放機構整體結構較為復雜，如圖1所示。為了符合實際工作受載情況，將深海鉆機與收放機構整體通過三維建模能力更強的Solidworks建模，并導入ANSYS/Workbench進行分析。建模中對主要受力部件變形和應力分布影響較小的孔、螺栓、過渡圓角等特征進行簡化，并將鉆機托架等效為一個整體結構進行建模。

鉆機從海底回收至母船甲板平面的過程中受到海浪影響較大，當受到波浪沖擊達到波高2.5 m，且周期為2.8 s左右時，收放機構受到波浪影響產生的升沉加速度值最大，最大值為az=2.6728cos（2.244t），式中t為波浪周期，且鉆機在剛開始回收即回收角θ為0°時液壓缸的受力和各零件的鉸接點受力達到收放過程中的最大值[6]。我們將分析該回收瞬間鉆機收放機構的受力情況。

建立該瞬間的收放機構三維模型，并將其導入到ANSYS/Workbench中，如圖2所示。設置其材料屬性為鋼，然后對各部件細節進行處理，采用ALL DOF將支撐底座底面進行固定，以模擬鉆機托架固定在母船甲板的情況，對各構件添加本身的重力加速度和由此刻波浪引起的垂直方向的升沉加速度值，然后對該時刻的模型進行靜力學仿真，得到如圖3所示θ=0°時的Von Mises應力云圖和變形云圖。

由圖3可知，深海鉆機收放機構在回收角為0°的工況位置時，最大應力值σmax=96.562 MPa。而收放機構主要為焊接高強度鋼板HG70材料，其許用應力[σ]=590 MPa，遠大于整體結構在該時刻受到的最大應力值，因此收放機構整體結構符合設計要求;收放機構最大變形量為2.0783 mm，位置位于托架底端，主要原因是鉆機本身質量較大，鉆機與托架底端直接接觸，而在實際收放作業中在托架底端和托架與母船船身接觸的位置安裝有緩沖墊，用以緩沖在收放過程中的沖擊力，可以有效降低整體的變形量。

2 收放機構關鍵零件的分析

收放機構在上述回收鉆機的瞬間其液壓缸、托架與液壓缸和底座角接觸銷軸、底座與液壓缸接觸銷軸為最主要的受力機構和承載點。在回收角度為0°，也就是鉆機剛剛通過托架回收時刻各機構和鉸接點受力最大。其中，液壓缸受力最大值為196.46 kN，其中X軸方向的分力為193.55 kN，Y軸方向的分力為36.65 kN;支撐底座的受力主要是來自兩鉸接點的拉力F1和F2，最大拉力F1=196.46 kN，其中X方向的分力為193.55 kN，Y方向分力為36.65 kN，F2=226.56 kN，X方向的分力為193.62 kN，Y方向分力為119.09 kN，在這兩鉸接點采用銷軸1和銷軸2連接，如圖2所示。各零部件的材料和相關參數如下表所示，對各關鍵零部件進行有限元分析，得到圖4～7所示的應力應變圖。