編排管模塊化裝配應力測量技術

逯春亮，呂 雷，楊梓嘉

(1.渤海造船廠集團有限公司 船舶設計研究院，遼寧 葫蘆島 125004；2.渤海船舶職業技術學院，遼寧 葫蘆島 125004)

0 引 言

目前，船舶管路系統裝配應力領域對管路裝配應力的力學分析模型的研究較少，沒有針對管路支撐件受力的應力測量系統，無法準確指導管路支撐件在自由狀態下的安裝和定位，以致現階段在進行管路安裝時，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軟件對其進行受力分析和計算，以獲取理論計算數據；研發管路裝配應力測量系統并進行試驗，以獲取真實的受力數據；通過對理論計算數據和實際測量數據進行分析，對生產設計管路布置進行修正。對編排管模塊化裝配應力測量技術進行研究，通過設計測量裝置，準確測量出裝配編排管時管路和管支架所受反力，并設計相應的調整工裝，準確調整安裝應力的大小，使整個編排管系統各支架處的裝配應力均衡，使其盡可能地達到理論狀態下的安裝狀態。

ANSYS軟件可對機械結構的靜態力學特性和動態力學特性進行分析，本文根據其靜力學特性對排管管路進行有限元力學分析。

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力，需在內場預裝配過程中準確裝配編排管。在預裝內場管路過程中會產生大量自制件、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，而且其精度會因制作質量存在差異而參差不齊，不能為內場預裝測量提供良好的測量環境。針對該情況，需設計一套可反復使用、精度高、可調節的三維柔性平臺，采用該平臺模擬實船安裝環境[1]。

三維柔性測量平臺研制包括基礎平臺、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，為典型的驗證管路制作和安裝應力應變測量等基礎工裝。實現管路參照實船裝配情況進行內場定位和安裝，可測量管路的安裝坐標位置。圖1為艙室級三維柔性平臺實際效果圖。

圖1 艙室級三維柔性平臺實際效果圖

1.2 編排管應力測量工裝

傳統管支架由簡易角鋼支架按現場管路走向，經切割焊接制作，布置精度低，可重復利用性差，為真實地模擬編排管支撐件的受力情況，準確調整編排管的空間位置，設計一套編排管裝配應力測量工裝[2]。

編排管應力測量工裝由垂直升降調整支撐裝置、水平支架調整裝置、編排管保護設計、測力螺栓、拉壓載荷傳感器和精確測量設備等組成，滿足內場平臺管路定位支撐和位置測量要求，實現在內場三維柔性平臺上根據編排管安裝坐標進行精確定位和安裝。圖2和圖3分別為編排管應力測量工裝的理論模型和實際應用場景。

圖2 編排管應力測量工裝理論模型

圖3 編排管應力測量工裝實際應用場景

1.3 測量裝置及軟件

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

數據采集分析儀作為編排管裝配應力測量與計算軟件的載體，主要用于配合編排管裝配應力測量工裝和傳感器，采集數據、調理及放大拉壓載荷傳感器和測力螺栓輸出的電信號，并將其轉換為數字顯示出來。數據采集分析儀可采用1/4橋型和全橋型傳感器輸出的信號。數據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)拉壓載荷傳感器內部包含一組全橋應變片，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，其接口與數據采集分析載荷模塊的信號接口一一對應，兩者采用連接電纜連接。可將傳感器應變片感知到的載荷信號輸入數據采集析儀中，并轉化為電信號，最終顯示為可理解的量化數值，并由此調整工裝，進而調整支反力的大小。

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

應力測量分析軟件是編排管應力測量裝置的核心，為評判編排管安裝質量標準提供真實數據支撐，包含測量通道配置、過程測量和數據分析等3部分。測量通道配置根據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、測量極值、應變計因子、額定電阻、導線電阻和應變應力轉換系數等參數進行設置[3]。

測量與顯示為該軟件的主體部分，通道設置完成之后，將被測編排管系統軸測背景圖插入，在背景圖上布置測點位置，由此即可測量當前狀態下測點的受力情況，根據受力情況調整測量工裝，實時測量測點受力的變化。參數含義：

1)“是否啟用”指是否使用該通道進行測量；

2)“通道名稱”指該測量通道使用的測力螺栓傳感器的編號，默認與通道號一致；

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

4)“應變計因子”指該測量通道使用的測力螺栓傳感器和應變計的靈敏系數，默認值為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變到應力的換算系數，默認值是與該通道編號一致的傳感器的換算系數1。

測量數據分析：對多次測量得到的數據進行各種統計學分析，記錄并分析隨著測量工裝位移的調整，測點所受應力和載荷的變化情況，并最終用表格輸出。

2 應力的測量及分析

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程序調用該文件，可完成前處理、加載和求解工作。采用CAA程序調用編輯好的ANSYS APDL命令流文件，可完成后處理工作，將所需數據提取出來，并輸出計算文件[4-6]。

2.3 計算結果

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

圖5 有限元模型

圖6 計算結果輸出文件

通過計算軟件對導入的管路模型進行計算，可計算出重力狀態下支架所受應力的大小，可在指導生產設計管路布置時更加合理地進行管支架布置，同時根據內場預裝過程中測得的真實應力數據調整管支架的空間位置和大小，以保證編排管裝配應力盡可能地貼近理論計算值。

3 結 語

通過對編排管模塊化裝配應力測量技術進行研究，研制了編排管裝配測量檢測平臺組合樣機，達到了以下目標：

1)三維柔性平臺，實現了內場編排管模塊化單元預裝中對全船編排管單元安裝環境的精確模擬，淘汰了大量內場預裝臨時工裝制作，縮短了內場預裝周期，減少了材料浪費，大大提高了將內場預裝結果轉嫁到實船上的精確性。

2)編排管應力測量工裝，實現了內場預裝過程中管支架對管路空間位置的調節功能和對管路裝配應力的測量功能。

3)編排管裝配應力測量與計算軟件，實現了對管路裝配應力的量化測量和對應力調整的實時監控。