新型導(dǎo)管架吸能器結(jié)構(gòu)性能分析研究

李懷亮，李新超，付雪軍

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

2.濱德（天津）能源科技有限公司，天津 300392

導(dǎo)管架平臺(tái)是海洋油氣開發(fā)、空間利用、海洋勘測(cè)等生產(chǎn)活動(dòng)中常見的海洋工程結(jié)構(gòu)形式。隨著海洋石油事業(yè)的發(fā)展，大型船舶在停靠導(dǎo)管架平臺(tái)的過程中會(huì)出現(xiàn)因速度過快而發(fā)生撞擊的情況，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)行事故發(fā)生，這降低了導(dǎo)管架的承載能力和行船安全[1]。因此，在導(dǎo)管架適當(dāng)位置配備相應(yīng)的緩沖、防撞裝置即吸能器，就顯得非常必要，其可有效保障行船的安全。

吸能器可分為固定式和漂浮式兩種，固定式防撞裝置安裝在主體結(jié)構(gòu)上，漂浮式防撞裝置則漂浮在主體結(jié)構(gòu)周圍[2-3]。固定式吸能器常見形狀包括圓管、方管、圓臺(tái)、支柱、蜂窩和夾心板[4]。近年來，新型靠船吸能結(jié)構(gòu)備受關(guān)注[5-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用有限元分析方法對(duì)吸能器的吸能效果進(jìn)行數(shù)值模擬，可分析吸能器的防撞性能[8-10]。海洋工程導(dǎo)管架橡膠吸能型吸能器由法蘭、外管、橡膠、內(nèi)管和將軍柱組成，如圖1所示。

圖1 吸能器結(jié)構(gòu)

橡膠部分是吸能器的吸能構(gòu)件，內(nèi)管和外管通過橡膠單元連接，用來吸收和轉(zhuǎn)移軸向和橫向荷載，以使船舶停靠不會(huì)造成平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞。影響吸能器性能的關(guān)鍵問題主要體現(xiàn)在：一是成型磨具無法使橡膠受熱均勻；二是膠片壓制成型后，外表面多處出現(xiàn)膠料氣泡。本文改進(jìn)了吸能器的結(jié)構(gòu)形式，并采用有限元分析方法對(duì)其整體吸能效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了吸能器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吸能器結(jié)構(gòu)成型裝置包括：上模、中模、下模、拉桿、緊固件，如圖2所示。將預(yù)先配料、裁剪好固定形狀的膠片纏繞到內(nèi)管上，擠壓，固定在下模上，然后利用機(jī)械設(shè)備將中模套在纏繞后的內(nèi)管外，將上模按照安裝位置對(duì)正放在中模上，通過拉桿將上模、中模、下模固定在一起。

圖2 吸能器裝置結(jié)構(gòu)

以往的成型是通過對(duì)螺栓和螺母施加合適的力矩，并將力傳到橡膠上，將橡膠擠壓到成型裝置的各個(gè)部位，并且力矩要多次、對(duì)稱進(jìn)行施加，保證每處受力均勻，通過拉桿的定位基準(zhǔn)確認(rèn)上模、下模、中模有效貼合在一起后，整體硫化定型。其缺點(diǎn)是此成型模具容易引起橡膠受熱不均，影響產(chǎn)品吸能[11]。因此，使橡膠受熱均勻成為關(guān)鍵。改進(jìn)成型是在外管和中模之間的空間部分添加合適的填充物，使橡膠成型過程中受熱均勻，從而提高產(chǎn)品性能。該方法使吸能器能夠達(dá)到預(yù)期的外形和性能使用要求，大大提高產(chǎn)品的成品率，降低成本。

在外管和中模之間利用填充物進(jìn)行填充，分別選用水、石英砂、鐵砂、不銹鋼砂進(jìn)行產(chǎn)品拉伸試驗(yàn)[12]，外形均可以滿足使用要求，沒有裂紋和斷裂現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)后對(duì)4 個(gè)試驗(yàn)件的A 處和B 處進(jìn)行剖切檢查，測(cè)試數(shù)據(jù)列于表1中。

表1 增加填充物剖切后性能測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)比對(duì)可以看出，橡膠的性能均有所提高，A 處拉伸強(qiáng)度提高20%，硬度提高5%以上，扯斷伸長(zhǎng)率提高20%以上，其中鐵砂和不銹鋼砂的測(cè)試數(shù)據(jù)A處和B處最為貼合。

對(duì)比4 種填充材料，水的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬略低，密封性不好控制，且若泄漏容易導(dǎo)致產(chǎn)品外表面銹蝕，腐蝕基體；石英砂相對(duì)強(qiáng)度低，易碎，使用一段時(shí)間后容易板結(jié)；鐵砂金屬本身容易生銹，被腐蝕，不利于使用和保存；不銹鋼砂強(qiáng)度高，成分精純，易清洗，所以它的使用壽命更為長(zhǎng)久，同時(shí)節(jié)省成本。因此，采用不銹鋼砂作為吸能器外表面和中模之間的填充物。

通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在原來結(jié)構(gòu)及外形基礎(chǔ)上，優(yōu)化半成品的設(shè)計(jì)形狀，如圖3所示。在壓制膠片的過程中通過增大膠片的橫截面積，以減少搭接、累加過程的縫隙產(chǎn)生。在實(shí)現(xiàn)過程中還需考慮膠料的纏繞、鋪放貼合，硫化過程中均勻受熱。多個(gè)大型導(dǎo)管架平臺(tái)吸能器已采用上述改進(jìn)設(shè)計(jì)，并完成海上各種實(shí)際使用情況的考核，取得了很好的應(yīng)用效果。

圖3 改進(jìn)后的設(shè)計(jì)形狀

2 結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 非線性分析

橡膠是一種超彈性材料，具有良好的伸縮性和復(fù)原性。相對(duì)于只需要較少的參數(shù)進(jìn)行性能表征的金屬材料，橡膠的特性就顯得很錯(cuò)綜復(fù)雜。超彈性材料的非線性是很嚴(yán)重的，體現(xiàn)在非常大的應(yīng)變（可達(dá)到百分之幾百）、材料的應(yīng)力應(yīng)變呈高度的非線性關(guān)系、材料近似或完全不可壓縮、很強(qiáng)的溫度相關(guān)性。通常并不單獨(dú)存在，而與金屬等其他顯著不一樣的材料之間有很大的相互作用[13]。

在非線性分析中，響應(yīng)不能直接用一組線性方程預(yù)報(bào)，在ANSYS 分析中選用Newton-Raphson算法，即以增量形式逐漸施加荷載，在每一荷載增量中完成平衡迭代來使得增量求解達(dá)到平衡，即殘差{F}-{Fnr}足夠小，在誤差允許范圍內(nèi)。

式中：[KT]為切線剛度矩陣；{Δu} 為位移增量，m；{F}為外部荷載向量，N；{Fnr}為內(nèi)部力向量，N。

2.2 單元選取

通過8 個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義的SOLID185 單元，見圖4。該單元可用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著X、Y、Z 方向平移的自由度。單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力，還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。

圖4 SOLID185單元

式中：[B]為應(yīng)變矩陣，m-1；[BV]為體積項(xiàng)，m-1，以一個(gè)積分點(diǎn)計(jì)算（縮減積分），沒有被完全積分而“軟化”，允許求解幾乎不可壓縮行為和客服體積鎖定；[Bd]為以2×2 積分點(diǎn)計(jì)算（完全積分），仍然存在寄生剪切應(yīng)變，m-1；V為體積，m3；為體積項(xiàng)上平均的應(yīng)變矩陣，m-1；為體積項(xiàng)上平均的應(yīng)變矩陣，m-1；Δε為應(yīng)變；Δu為位移，m。

2.3 模型建立

通過數(shù)值模擬方法對(duì)吸能器變形特征進(jìn)行分析，吸能器模型包括橡膠、內(nèi)管、外管、法蘭，如圖5、圖6所示，其主要性能參數(shù)列于表2、表3中。

圖5 有限元模型及邊界荷載條件——工況1

圖6 有限元模型及邊界荷載條件——工況2

表2 高強(qiáng)度鋼制減振單元材料特性

表3 橡膠特性

在每個(gè)負(fù)載情況下，壓縮將施加到?jīng)_擊單元，直到達(dá)到所需的靠泊能量。沖擊荷載工況如表4所示。通過有限元分析進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)吸能器在承受工況1 和2 中荷載條件時(shí)的情況。其中工況1-a承受225 mm豎向變形荷載，工況1-b承受450 mm豎向變形荷載；工況2 中，吸能器承受在30°上的50%和100%壓縮荷載時(shí)的情況，其中軸向碰撞能量400 kJ，側(cè)向碰撞能量134 kJ。

表4 荷載工況

3 數(shù)值模擬結(jié)果討論

在534 kJ的靠泊能量作用下，撓度、反作用力和能量吸收如表5所示，吸能器最大等效沖擊應(yīng)力如表6所示。沖擊單元的等效應(yīng)力如圖7所示。

圖7 工況1沖擊單元的等效應(yīng)力/MPa

表5 撓度-反作用力-能量吸收結(jié)果（工況1）

表6 吸能器最大等效沖擊應(yīng)力（工況1）

在工況1-a 中，吸能器承受225 mm 的豎向壓縮變形，吸能器反力達(dá)到1 101.6 kN，能量吸收量為279 kJ；在工況1-b 中，吸能器承受的豎向變形達(dá)到450 mm，反力達(dá)到3 052.5 kN，吸收能量達(dá)到549 kJ。工況1 中外管產(chǎn)生了最大應(yīng)力，達(dá)到155.51 MPa，橡膠的最大應(yīng)力為13.07 MPa，UC 校核滿足強(qiáng)度要求。

在工況2 的數(shù)值模擬分析中，角度、扭矩和能量吸收如表7所示，吸能器最大等效沖擊應(yīng)力如表8 所示。沖擊單元的等效應(yīng)力如圖8 所示。在工況2-a 中，吸能器承受30°方向上50%豎向變形的外荷載作用，吸能器偏轉(zhuǎn)14°，最大扭矩303.4 kN·m，吸收能量49.3 kJ。在工況2-b 中，吸能器承受30°方向上100%的豎向變形外荷載作用，吸能器偏轉(zhuǎn)28°，最大扭矩600.7 kN·m，吸收能量157 kJ。工況2 中內(nèi)管承受了最大應(yīng)力，達(dá)到247.08 MPa，橡膠承受的最大應(yīng)力為17.68 MPa，UC 校核滿足強(qiáng)度要求。

圖8 工況2沖擊單元的等效應(yīng)力/MPa

表7 角度-扭矩-能量吸收結(jié)果（工況2）

表8 吸能器最大等效沖擊應(yīng)力（工況2）

4 結(jié)論

本文通過對(duì)橡膠吸能型吸能器結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)，達(dá)到了改善吸能器吸能效果的目的，并結(jié)合有限元的超彈性材料非線性分析方法，建立了數(shù)值模擬分析模型。對(duì)0°和30°方向上的外部沖擊荷載作用下吸能器變形效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，其主要結(jié)論如下：

1）改進(jìn)后的吸能器結(jié)構(gòu)經(jīng)過測(cè)試，橡膠吸能構(gòu)件的拉伸強(qiáng)度提高20%，硬度提高5%以上，扯斷伸長(zhǎng)率提高20%以上。

2）通過有限元數(shù)值模擬分析得出，在豎直沖擊荷載作用下，外管承受的應(yīng)力最大，在30°方向沖擊荷載作用下，內(nèi)管承受的應(yīng)力最大。

3）橡膠吸能結(jié)構(gòu)在30°方向沖擊荷載作用下的應(yīng)力比垂直受力時(shí)要大。

本項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)的新型吸能器裝置已成功應(yīng)用于多個(gè)海洋工程固定式結(jié)構(gòu)中，并通過海上各種實(shí)際使用情況的考核，其技術(shù)成熟、質(zhì)量性能可靠。