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海洋平台折臂抓管机多工况参数化结构分析pdf

作者:九州网址  来源:九州网址  时间:2019-10-21 07:41  点击:

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  2O14往 第 43卷 石 油 矿 场 机 械 第 3期 第 52页 0lL FIELD EQUIPMENT 文章编 号 :1001—3482(20l4)03—0052-05 海洋平台折臂抓管机多工况参数化结构分析 乔晓锋 ,栾 苏 ,粟 京 ,袁 洁。,惠晓英。,王学义 ,宋志刚 (1.国家油气钻井装备工程技术研究中心,陕西 宝鸡 721002;2.中国海洋石油总公刮 ,北京 100027; 3.宝鸡石油机械有限责任公司,陕西 宝鸡 721002) 摘要:在 ANSYSw()RKBENCH环境下对海洋平 台抓 管机进行整体参数化建模 ,通过改变主臂、 折臂的工作角度 ,获得 多工况下折臂抓管机的工作姿态。在进行结构分析 时,对任一工作半径下折 臂抓 管机垂直起 吊路径进行工况抽样,考虑环境载荷、吊臂 自重、额定工作载荷 ,对折臂抓管机整体 进行有限元强度分析,获得多工况下关键零件及关键节点的应力应变分析结果。实现 了折臂抓 管 机整体强度分析的快速 高效计算。 关键词 :海洋平 台;折臂抓管机 ;多工况;参数化;结构分析;整体强度 中图分类号 :TE951 文献标识码 :A ParameterizedStructuralAnalysisofM ulti—attitudesforOffshore Platform KnuckleBoom PipeCrane Q1A()Xiao—feng ,LUAN Su ,SU Jing。,YUAN Jie。,HUIXiao—ying , W ANG Xueyi0。SONG Zhi—gang (1.NationalOilandGasDrillingEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenter,Baoji721002,China: 2.CNo0C,Beijing100027,China;3.BaojiOilfieldMachineryCo.。Ltd.,Baoji721002,China) Abstract:Parameterizedmodelwasestablishedforthewholeknuckleboom pipecrane0ioffshore platform byANSYSW ORKBENCH ,andmulti—attitudeswasobtainedbychangingtheboom and knuckleboom liftingangle.Duringtheanalysisofstructure,someattitudesoftheknuckleboom pipecraneonanyliftingradiusweresampledtocalculateentirestrengthbyconsideringenviron— mentalloads,boom weight,rating load to achievestressand strain resultsofallkeypartsand nodesbyfiniteelementanalysis.A quick—efficientanalysisofentirestrength forknuckleboom pipecranewasachieved. Keywords:offshoreplatform;knuckleboom pipecrane;multi—attitudes;parameterized;structural analysis;entirestrength 随着对深水及超深水海域的勘探开发 ,越来越 类钻杆、套管的起吊运输工作 ,属于起重设备。折臂 多的深水钻机管子处理系统逐步应用于半潜式钻井 抓管机通常 由基座 、台体、主臂、折臂 、伸缩臂 、吊爪 平台及钻井船…。折臂抓管机作为钻机管子处理系 及液缸组成 ,如图 1所示 。工作时具有 多 自由度控 统的关键设备 ,主要用于猫道和管子堆场之间的各 制、运行灵活等特点。设计计算时需考虑不 同工况 收稿 日期 :2o13—09—16 基金项 目:国家科技重大专项 “深水半潜 式钻井平 台及配套技术 ”子课题 “深 水钻机管子处理系统关键 设备研制 ” (2O1lZXO5027—00 卜06) 作者简介 :乔晓锋 (1978一),男,陕西富平人 ,工程师 ,主要从事石油钻机管子处理系统研究,Email:2002qiaofeng@l63. com 。 第 43卷 第 3期 乔晓锋 ,等 :海洋平 台折臂抓管机多工况参数化结构分析 下 ,折臂抓管机在何种姿态下 ,关键零件和关键节点 臂抓管机 的工作特性 ,以 ANSYSWORKBENCH 会产生最大的应力和应变 。 软件为计算环境 ,将其主臂工作角度 (相对水平面)、 折臂工作角度 (相对于主臂)和不同工作半径下的额 定起吊载荷作为变动参数,在建模及计算加载边界 条件时对其参数化,分析时只需改动相应的参数,便 可获得多工况下折臂抓管机整体 的静态强度计算 结果 。 1 折臂抓管机参数化建模 1.1 模型简化 折臂抓管机上 的零部件和紧固件较多,在静态 结构分析时应将这些细小的部件简化 ,只保 留主体 结构 。例如 ,各臂的组焊钢板、加强筋板 、加强型钢 图 1 折臂抓管机 等。去除台体上 的控制房等 附件 ,以回转支承以上 为了简化控制程序 ,折臂抓管机的工作特性 曲 的部分为计算的重点,因此不考虑基座的建模 。在 线是工作半径区间 内的分段函数 ,表示在不 同工作 wORKBENCH 中的DESIGNMODEL模块下 ,各 半径下折臂抓管机能够起 吊的额定载荷值 ,如图 2 类钢板用壳单元建模 ,加强角钢和液缸采用梁单元 所示 。 建模。建模后整体质量与实体不能有太大差异 ,否 则应考虑在忽略的较重部件处添加质量点,以保证 120 计算的准确性。 100 1.2 参数化建模与 网格划分 善90 萎 事先选定的3个参数 中,主臂、折臂的工作角度 苦50 在建模时需要体现。基座与平 台甲板是固定 的,主 臂与台体属于铰接运动副,而折臂与主臂之间为铰 接关系,伸缩臂与折臂为移动副关系,因此,建模顺 0 3 665 8 12 15 l7 序为 :台体 、主臂、折臂、伸缩臂 。建模时要选取合适 . 5 25 _I作半径/m 参照 ,以保证改变相应参数后 ,模 型整体随之 改变 。 如此便可获得如图3所示 的折臂抓管机工作范围内 图 2 工作特性 曲线 任意点的工作姿态。 在对抓管机进行设计计算时,通常选取若干典 型工况,进行理论计算 ,再将计算结果作为输入条件 分别加载至各零部件上,求出应力和应变 。如针对 图2的工作特性曲线 ,在不 同工作半径下抽取一处 位置作为抽样计算点,整个工作范 围内的抽取计算 点较少。这种方法 的缺点是工作量大,具体抽样点 的选取基本依赖工程师的经验水平,可靠性不高。 在钻井船 、半潜式平 台等非 固定平 台上安装 的折臂 抓管机长期在海上作业 ,作业环境恶劣 ,需要考虑多 种外界环境载荷,如船舶 、平台随波浪运动产生的垂 直和水平方向上的加速度载荷、风载等 ]。若采用 手工计算方法 ,周期长 ,效率低,难 以满足设计计算 图3 折臂抓管机工作范围 需求 。 计算机辅助设计 (cAE)仿真技术 的 日益成熟 根据上述建模原则建立模型后 ,只需改变主臂 使得大量 、重复性计算工作变得简单 。本文根据折 工作角度和折臂工作角度,便可得到折臂抓管机工 石 油 矿 场 机 械 作范围内的任意姿态 。最终 的参数化折臂抓管机实 浪引起平台在垂直和水平上的瞬态最大加速度也会 体模型结果如图4所示。 使折臂抓管机受到额外的力。垂直和水平加速度可 依据 API2C规范中的公式近似计算得到。作为加 速度场施加给整个模型 ,并将计算后重物产生 的相 应载荷施加于伸缩臂顶端。 5) 风载荷 设计风速为 一20m/s,风压采 用 q一0.613× 计算 。风载的方向足不确定的,应 按最不利于关键零部件受力的方向施加 。 a 最小工作半径 整体模型下各部件之问的连接默认为刚性连 接,计算时不符合实际情况 ,应添加对应的运动副约 束各部件问的相对运动。各部件间的约束关系如表 l所 示 表 1 各部件之 间的运动副和约束关系 b 任意工作半径 c 最大工作半径 图4 WORKBENCH下折臂抓管机参数化实体模型 2 折臂抓管机整体结构分析 2.1 载荷与约束的施加 在无遮蔽海域的半潜式平 台上 ,折臂抓管机起 吊重物时所承受的载荷较为复杂 、类型多,且环境载 2.2 工况抽样 荷 的方 向是不确定的。根据中国船级社 《船舶与海 由于在不同工作半径下 ,折臂抓管机的额定起 上设施起重设备规范》及 APISpecification2C的规 吊载荷不 同,因此不能通过简单的抽样方式来随机 定,折臂抓管机在标准作业工况下将会 受到 以下 抽取若干工况。根据折臂抓管机工作时吊爪的移动 载荷l。]: 特性,选取某一工作半径下,在主臂液缸和折臂液缸 1) 自重载荷 重力加速度下 ,折臂抓管机 自 工作行程内,吊爪从最低处起升至最高处 的运动路 重产生 的载荷施加于整体各个零部件 ,WORK— 径,在此路径上依次进行抽样,利用有限元计算分析 BENCH下可用 StandardEarthGravity或 Accel 后,通过观测运动副处 的受 力,绘制 出力 的变化趋 eration以加速度场的形式整体施加于整个模型。 势,从而判断出最恶劣的受力工况姿态。 2) 静态倾斜载荷 折臂抓管机由于平台或船 此计算过程拓展至整个工作 区间,仍采用抽样 舶 自身倾角及安装误差 ,存在静态倾斜 ,会产生侧向 方式 ,对不 同工作半径下的折臂抓管机受力进行强 载荷。此载荷与重力相关 ,因此也可用一定的系数 度分析计算,便可获得较为全面的多工况下的计算 作为加速度场施加于整个模型。 结果。 3) 重物载荷 折臂抓管机在起吊重物时产生 2.3 计算结果与分析 的载荷 ,应考虑起 吊作业系数。施加于折臂抓管机 首先根据计算结果 ,判 断各力 的变化情况 。选 伸缩臂的顶部,针对不同工作半径下的额定载荷 ,可 取工作半径 17.5iTI、额定载荷 90kN情况下,几个 设为变动参数。 关键节点的受力 :主臂与台体铰点、主臂与主臂液缸 4) 平台或船舶运动载荷 在半潜平 台上 ,海 铰点、主臂与折臂铰点 、主臂与折臂液缸铰点。以主 第 43卷 第 3期 乔晓锋 ,等 :海洋平 台折臂抓管机多工况参数化结构分析 ·55 · 姜 肝妞州 艇 驴 I乇 臂转动角度 (主臂液缸行程)作为主变量 ,吊爪从最 根据各力的变化曲线可 以得 出结论:在当前工 低点运动至最高点时,各节点的受力变化 曲线m)下 ,上述关键节点的受力大体上 随 5~8所示 。 着 吊爪起升高度的升高而变大。即折臂抓管机整体 受力最恶劣的工况在当前半径下的最高起升点。其 2.048 对应的主臂转角为 6l。,主臂和折臂 问的夹角为 1.998 74。。以此位置作计算点,比较有 限元结果与按照 1.948 API2C规范的计算结果,如表 2所示 。需注意对不 l898 同部件而言,引起最大受力的环境载荷的方向是不 1.848 同的。j,因此表 2中给 出的值是在不同环境载荷方 1.798 向下各节点的最大值,与图5~8中的最大值并不是 1.748 完全一一对应相等的。 () 0 20 30 40 50 60 70 I:臂角度 ) 表 2 有限元结果与按照 API2C规范计算 比较 图5 起升时主臂与台体铰点力变化 曲线 主臂与台体铰点力 /N 2126544 2042555 3.95 主臂与主臂液缸铰点力/N 2413987 2478004 2.65 主臂与折臂铰点力 /N 926837 835630 9.84 主臂与折臂液缸铰点力/N 1020423 l002900 1 . 71 对 比发现有限元结果与按照 API2C规范的计 算值是基本相符的。对应最大受力位置点的整体位 移图和应力图分别如图9~10所示 。 图6 起升时主臂与主液缸铰点力变化曲线 】38.】5 l08.97 誊 3· 8j.786 48 54.605 4.3 27.424 3·8 024259 33 (】 图 9 臂角度 “。) 图7 起升时主臂与折臂铰点力变化 曲线.835 54.557 27.278 4.7773 图 lO 折臂抓管机整体应力 通过整体位移云图可判断折臂抓管机的整体刚 图8 起升时主臂与折臂液缸铰点力变化 曲线 度是否达到设计使用要求 。当伸缩臂顶部位移值超

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