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水下夹桩器卡环连接结构接触有限元分析


装备制造技术 #! # 年第 $ 期 水下夹桩器卡环连接结构接触有限元分析 王立权, 孙志娟, 孟庆鑫 ( 哈尔滨工程大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘要: 使用 ANSYS 软件数值模拟对卡环连接结 构的接触问题进行了受力分析, 阐述了基 于有限元分析的接触模型建立, 获 得接触部件实际工况下的应力及其变形等结果, 满足了工程要求, 说明采用非线性有限元法 节省了分析计算时间, 为卡环式连接 结构的优化设计及制造提供了理论依据。 关键词: 海洋石油平台;水下夹桩器; 有限元分析; 接触; 卡环连接结构 中图分类号: THI37.51 文献标识码: A 文章编号: 1672- 545X ( 2006) 04- 0009- 03 海洋平台是海上油 气开采的重要设施 ,水下夹桩器是一 种 广泛应用于 较深海固 定式石油开 采平台 安装的 液压夹 具。 国内外广泛采用的安 装方法是使用钢桩将 石油平台固定于海 底, 然后用夹桩器初步联接钢桩 和导管架。我国文 昌 13- 1/2、 春晓 、 陆丰 13- 2、 惠州 21- 1 导管架及 亚洲海上油 气田平台 最 大 导管架番 禺 30- 1 气田平台 导管架 等一系 列较深 水导管 架 工程建设中 即是采用裙桩套管内安装夹 桩器,通过动力站 使 夹紧器夹紧钢桩。 卡环式连接 结构由于 加工、 安装、 维 修方便, 被 应用于 水 下夹桩器。 其结构性能将直接影响到最终的工程实用性。 因此 有必要对 夹桩器本体结构进行计算分析 ,研究卡环凹槽处 的 应力分布规律等各项性能, 并与技术指标进行对比。 从力学 模型看,卡环连接 结构属于典型的面—面接触 —— 组合连接结构。接触问 题涉及应力集中, 属于不定边 界问题, 是一种高度非线性 行为。普通方法难以 得到其工作过程中 真 实的受力及变形等。文中应用非线性有限元理论, 对卡环连接 结构进行了接 触受力的分析,为水下夹 桩器压块齿进一步 改 进, 提供了理论依据。 夹桩器周向均布九个液压缸, 其卡环连接 结构简图如图 2 所示。设计结构合理的夹桩器卡环连接结构, 并用计算机软件 辅助方法对其进行强度 和刚度校核是水下 夹桩器设计的重要 步骤。 图 2 液压缸结构简图 2 卡环连接结构有限元模型 2.1 多体接触问题有限元非线性求解方法 由受力分析可以判 断油压作用下卡环 连接结构被连接件 的变形趋势, 液压缸壁由于油压的 作用会在局部形成 弯矩, 导 致外环端面出现外翻现象 (即径向位移 向外); 同样由于油压 的 1 水下夹桩器工作原理简介 钢桩 作用, 导致液压缸底端面出现上翻现象(即轴向位移向上)。 从力学角度看, 这类问题属 于接触非线性问题 , 传统的 弹 性接触算法已难 以计算出各点的应力、 应变。近年 来, 随 着非 线性理论的 不断完善和计算机技术的 飞速发展,利用非 线性 有限元法 来分析这类问题已日趋成熟 。本文用有限元分 析软 件 ANSYS 对水下夹桩器卡环连接结构进行有限元分析。 2.1.1 接触边界条件的处理 滚压缸 油源支架 图 1 水下夹桩器结构示意图 在油压作 用下, 夹桩器 卡环、 液 压缸壁和液压缸底 3 个物 体接触, 其刚度方程为 水下夹桩器结构如图 1。夹桩器焊接于导管架裙桩套管 内。工作原理为: 工作时, 在周向均布的液压缸作用下, 与活 塞杆联接的夹爪夹紧钢桩, 从而连接钢桩和导管架。 基金项目: 国家 863 课题 ( 2002AA602012- 1) 。


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