自升式平臺樁腿載荷實時測量誤差分析研究

彭吉友

（東營杰開智能科技有限公司，山東 東營 257000）

隨著海上油田作為重點資源接替陣地，勘探開發工作量尤其是鉆井工作量迅速攀升，海上鉆井、作業等各類型平臺進行插拔樁作業越來越頻繁，樁腿作為插拔樁作業中平臺的主要承載構件之一，主要支撐平臺的全部重量，并把載荷傳遞到海底，在作業中的作用舉足輕重。針對需要，某一樁腿載荷實時測量方案力求對插拔樁作業過程中樁腿載荷進行監測，傳感器采用電阻式應變片傳感器，布置在與樁腿齒條嚙合的齒輪上。在監測過程中，數據采集終端將應變片采集的應變信息傳輸到中心采集終端，經數據監測軟件分析后將應變信息轉化為升降裝置的載荷信息。根據樁腿齒條與升降齒輪的嚙合作用力與反作用力效果，此載荷信息即為樁腿的實時載荷信息，由此判斷插樁作業過程中樁腿的安全狀態。該方案中將齒輪軸的應變信息轉換為樁腿載荷時，忽略了實際作業過程齒輪軸實時轉動的因素，只采用一標定常數進行換算，將一定程度引起數據轉換誤差。以此為背景，本文重點研究監測數據的處理過程，采用數值計算的方法進行工況模擬，根據模擬結果進行詳細的誤差分析，進一步完善樁腿載荷實時測量方案的數據分析過程提供指導，達到對樁腿載荷的安全監測目的，為海洋平臺科學插拔樁提供理論依據。

1 實測升降裝置應變信息與樁腿載荷轉換關系的原理分析

根據樁腿載荷實時測量方案，在插拔樁作業過程中，由應變傳感器實時采集升降裝置的應變信息。本文所做的工作就是分析如何完善將此應變信息轉化為所需監測的樁腿載荷過程。

現分析思路為：在真實還原研究對象的結構及約束情況的基礎上，在升降裝置齒輪與樁腿齒條嚙合的部位施加假設載荷，然后求出升降裝置上布置應變片傳感器部分的應變信息，這樣就可以求得載荷與應變的轉換關系。在監測過程中，根據此應變關系，就可以由傳感器監測到的應變信息反算出樁腿齒條與升降裝置齒輪嚙合處的載荷情況，再對樁腿受力進行分析后，即可得到樁腿的實時載荷信息。

由于研究對象為升降裝置齒輪組，結構比較龐大且復雜，本研究側重基于ANSYS有限元軟件的數值計算方法模擬工況。

2 實測升降裝置應變信息與樁腿載荷轉換關系的數值計算分析

2.1 建立有限元實體模型

本課題的研究對象為升降齒輪組，將在SolidWorks軟件中按照實物1:1繪制的齒輪組模型導入ANSYS軟件的方法，實現精確建模（圖1）。

圖1 ANSYS中齒輪組模型

齒輪組的材質為40CrNiMoA，彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.32。

對模型采用自由劃分和映射劃分相結合的方法進行網格劃分。單元類型在此選擇實體單元SOLID45。劃分好的網格模型如圖2所示，其中單元數為139374個，節點數為93493個。

圖2 齒輪組的有限元網格模型

齒輪組中兩個齒輪間通過空心軸連接，軸兩端均為自由端。傳動過程中，齒輪組隨軸一起轉動，無徑向位移，為了防止齒輪組的軸向位移，部分約束其軸向位移。小齒輪與齒條的嚙合情況是個動態過程，隨著齒輪轉動嚙合線隨時在變，在此考慮兩種轉化的加載方式。一種是在齒面分度圓位置的中心節點上施加集中載荷，另一種是在齒輪面上施加均布載荷。這兩種加載方式雖然不同，但是只會影響加載齒輪處的受力情況，對軸上的應力應變結果不會產生太大的差異。

2.2 計算結果處理

從ANSYS后處理中可以得到模型上任一點處的應力、應變信息，現在根據應變片所貼的位置找到對應點的應變。

平臺應力檢測傳感系統布置在升降機構齒輪組的齒輪軸上，距大齒輪5cm，在軸對應的兩側分別貼有一組應變片，每組在45°和-45°方向各有一應變片，如圖3所示。考慮到模型工作時應變片處應變隨軸轉動不斷變化，現在在軸上均勻的找到7個點，模擬一組應變片在轉動過程中的7個位置，分別求出其應變片方向的應變，即為工作狀態下監測數據的應變信息。

圖3 傳感器位置示意圖

7個點的具體位置如圖4所示。

圖4 應變片位置示意圖

首先，需要根據ANSYS后處理文件中所得的沿坐標系方向應變求得沿應變片方向的應變信息。根據彈性力學相關知識：

其中，xε、yε、zε、yzγ、zxγ、xyγ為某一點P沿六個坐標系方向的應變；PN為過P點的、沿N方向的任一微小線段；l、m、n為PN的方向余弦，其值與P點坐標和PN的方向有關；Nε為PN方向的正應變。

設P點的坐標為（x0，y0，z0），經分析，45°方向應變片的方向余弦分別為：

-45°方向應變片的方向余弦分別為：

將以上兩組方向余弦分別帶回（1）式，即可實現7個預測點的應變處理。

根據齒輪軸的受力情況，在工作狀態下，軸上的應力應變除了受主要的扭矩影響外，還受到彎曲和剪力的影響。在實際應用中，在軸上沿周向不同位置布置兩套應變片組分別進行采集，然后進行組橋，以盡量減少彎矩和剪力影響。設1ε、2ε、3ε、4ε為進行組橋的應變片組中四個應變片分別采集的應變值，合理組橋后，應變儀的讀數結果為：

其中，Tε為扭轉引起的應變。

關于如何選擇合適的兩組應變片進行組橋，現通過給出全部的組合情況，綜合考慮各個情況下應變值的穩定性，以尋找最優的應變片布置方案，為工程施工提供參考意見。

參考圖5中各應變片組的位置，共有六種組合情況，例如：第一種：將相鄰兩組應變片組合，即①-②組合，②-③組合，以此類推；第二種：將間隔一組應變片的兩組應變片組合，即①-③組合，②-④組合，以此類推；與此類似，第三、四、五、六種情況分別為將間隔兩組、三組、四組、五組應變片的兩組應變片組合。

以集中載荷下得到的結果為例，以上六種組合情況具體應變結果如表1所示。

表1 集中載荷下各種組合情況應變值d（με）

用折線表示各種情況的結果如圖5所示。

圖5 六種組合情況下應變值dε（με）折線圖

從圖5折線中可以大致看出，分別代表第一、二、五、六種情況的折線上下浮動情況較大，最大值和最小值之間最大差距分別為5.15%、3.61%、3.61%、5.15%；而代表第三種和第四種情況的折線相對平緩，最大值和最小值之間最大差距均為1.87%，說明這兩種組合方式在整個齒輪轉動過程中采集的數據最穩定。

同時不容忽略的是，從圖5中可以看出，不管哪種組合方式，當升降裝置齒輪軸轉動到不同角度時，即使在相同載荷作用下實時監測到的應變值也并不完全相同。這是由于應變片傳感器在升降裝置上的布置位置固定不變，在作業過程中與樁腿的齒條與升降裝置的齒輪嚙合部位在實時變化，這樣這兩者的相對位置在不斷變化，故實時采集的應變信息是與齒輪轉動姿態相關的物理量。如此就出現了如圖6中的曲線結果形式。這也是樁腿載荷實時測量方案中誤差原因所在。

3 結語

本文以海洋平臺插拔樁作業過程中的樁腿載荷實時測量工程為課題背景，針對方案中應變檢測數據與樁腿載荷的轉換關系進行了誤差分析研究。以上分析力求完善樁腿載荷實時測量方案，為判斷插樁作業過程中樁腿的安全狀態提供科學依據。