喬曉鋒，欒 蘇，粟 京，袁 潔，惠曉英，王學(xué)義，宋志剛

海洋平臺(tái)折臂抓管機(jī)多工況參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析

喬曉鋒1，欒 蘇1，粟 京2，袁 潔3，惠曉英3，王學(xué)義1，宋志剛1

（1.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002；2.中國(guó)海洋石油總公司，北京100027；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002）

在ANSYS WORKBENCH環(huán)境下對(duì)海洋平臺(tái)抓管機(jī)進(jìn)行整體參數(shù)化建模，通過改變主臂、折臂的工作角度，獲得多工況下折臂抓管機(jī)的工作姿態(tài)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，對(duì)任一工作半徑下折臂抓管機(jī)垂直起吊路徑進(jìn)行工況抽樣，考慮環(huán)境載荷、吊臂自重、額定工作載荷，對(duì)折臂抓管機(jī)整體進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，獲得多工況下關(guān)鍵零件及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果。實(shí)現(xiàn)了折臂抓管機(jī)整體強(qiáng)度分析的快速高效計(jì)算。

海洋平臺(tái)；折臂抓管機(jī)；多工況；參數(shù)化；結(jié)構(gòu)分析；整體強(qiáng)度

隨著對(duì)深水及超深水海域的勘探開發(fā)，越來越多的深水鉆機(jī)管子處理系統(tǒng)逐步應(yīng)用于半潛式鉆井平臺(tái)及鉆井船［1］。折臂抓管機(jī)作為鉆機(jī)管子處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于貓道和管子堆場(chǎng)之間的各類鉆桿、套管的起吊運(yùn)輸工作，屬于起重設(shè)備。折臂抓管機(jī)通常由基座、臺(tái)體、主臂、折臂、伸縮臂、吊爪及液缸組成，如圖1所示。工作時(shí)具有多自由度控制、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需考慮不同工況下，折臂抓管機(jī)在何種姿態(tài)下，關(guān)鍵零件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生最大的應(yīng)力和應(yīng)變。

圖1 折臂抓管機(jī)

為了簡(jiǎn)化控制程序，折臂抓管機(jī)的工作特性曲線是工作半徑區(qū)間內(nèi)的分段函數(shù)，表示在不同工作半徑下折臂抓管機(jī)能夠起吊的額定載荷值，如圖2所示。

圖2 工作特性曲線

在對(duì)抓管機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，通常選取若干典型工況，進(jìn)行理論計(jì)算，再將計(jì)算結(jié)果作為輸入條件分別加載至各零部件上，求出應(yīng)力和應(yīng)變。如針對(duì)圖2的工作特性曲線，在不同工作半徑下抽取一處位置作為抽樣計(jì)算點(diǎn)，整個(gè)工作范圍內(nèi)的抽取計(jì)算點(diǎn)較少。這種方法的缺點(diǎn)是工作量大，具體抽樣點(diǎn)的選取基本依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)水平，可靠性不高。在鉆井船、半潛式平臺(tái)等非固定平臺(tái)上安裝的折臂抓管機(jī)長(zhǎng)期在海上作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，需要考慮多種外界環(huán)境載荷，如船舶、平臺(tái)隨波浪運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的垂直和水平方向上的加速度載荷、風(fēng)載等［2］。若采用手工計(jì)算方法，周期長(zhǎng)，效率低，難以滿足設(shè)計(jì)計(jì)算需求。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAE）仿真技術(shù)的日益成熟使得大量、重復(fù)性計(jì)算工作變得簡(jiǎn)單。本文根據(jù)折臂抓管機(jī)的工作特性，以ANSYS WORKBENCH軟件為計(jì)算環(huán)境，將其主臂工作角度（相對(duì)水平面）、折臂工作角度（相對(duì)于主臂）和不同工作半徑下的額定起吊載荷作為變動(dòng)參數(shù)，在建模及計(jì)算加載邊界條件時(shí)對(duì)其參數(shù)化，分析時(shí)只需改動(dòng)相應(yīng)的參數(shù)，便可獲得多工況下折臂抓管機(jī)整體的靜態(tài)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

1 折臂抓管機(jī)參數(shù)化建模

1.1 模型簡(jiǎn)化

折臂抓管機(jī)上的零部件和緊固件較多，在靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)將這些細(xì)小的部件簡(jiǎn)化，只保留主體結(jié)構(gòu)。例如，各臂的組焊鋼板、加強(qiáng)筋板、加強(qiáng)型鋼等。去除臺(tái)體上的控制房等附件，以回轉(zhuǎn)支承以上的部分為計(jì)算的重點(diǎn)，因此不考慮基座的建模。在WORKBENCH中的DESIGN MODEL模塊下，各類鋼板用殼單元建模，加強(qiáng)角鋼和液缸采用梁?jiǎn)卧！＝：笳w質(zhì)量與實(shí)體不能有太大差異，否則應(yīng)考慮在忽略的較重部件處添加質(zhì)量點(diǎn)，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.2 參數(shù)化建模與網(wǎng)格劃分

事先選定的3個(gè)參數(shù)中，主臂、折臂的工作角度在建模時(shí)需要體現(xiàn)?；c平臺(tái)甲板是固定的，主臂與臺(tái)體屬于鉸接運(yùn)動(dòng)副，而折臂與主臂之間為鉸接關(guān)系，伸縮臂與折臂為移動(dòng)副關(guān)系，因此，建模順序?yàn)椋号_(tái)體、主臂、折臂、伸縮臂。建模時(shí)要選取合適參照，以保證改變相應(yīng)參數(shù)后，模型整體隨之改變。如此便可獲得如圖3所示的折臂抓管機(jī)工作范圍內(nèi)任意點(diǎn)的工作姿態(tài)。

圖3 折臂抓管機(jī)工作范圍

根據(jù)上述建模原則建立模型后，只需改變主臂工作角度和折臂工作角度，便可得到折臂抓管機(jī)工作范圍內(nèi)的任意姿態(tài)。最終的參數(shù)化折臂抓管機(jī)實(shí)體模型結(jié)果如圖4所示。

圖4 WORKBENCH下折臂抓管機(jī)參數(shù)化實(shí)體模型

2 折臂抓管機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析

2.1 載荷與約束的施加

在無遮蔽海域的半潛式平臺(tái)上，折臂抓管機(jī)起吊重物時(shí)所承受的載荷較為復(fù)雜、類型多，且環(huán)境載荷的方向是不確定的。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》及API Specification 2C的規(guī)定，折臂抓管機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工況下將會(huì)受到以下載荷［3-4］：

1） 自重載荷 重力加速度下，折臂抓管機(jī)自重產(chǎn)生的載荷施加于整體各個(gè)零部件，WORKBENCH下可用Standard Earth Gravity或Acceleration以加速度場(chǎng)的形式整體施加于整個(gè)模型。

2） 靜態(tài)傾斜載荷 折臂抓管機(jī)由于平臺(tái)或船舶自身傾角及安裝誤差，存在靜態(tài)傾斜，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向載荷。此載荷與重力相關(guān)，因此也可用一定的系數(shù)作為加速度場(chǎng)施加于整個(gè)模型。

3） 重物載荷 折臂抓管機(jī)在起吊重物時(shí)產(chǎn)生的載荷，應(yīng)考慮起吊作業(yè)系數(shù)。施加于折臂抓管機(jī)伸縮臂的頂部，針對(duì)不同工作半徑下的額定載荷，可設(shè)為變動(dòng)參數(shù)。

4） 平臺(tái)或船舶運(yùn)動(dòng)載荷 在半潛平臺(tái)上，海浪引起平臺(tái)在垂直和水平上的瞬態(tài)最大加速度也會(huì)使折臂抓管機(jī)受到額外的力。垂直和水平加速度可依據(jù)API 2C規(guī)范中的公式近似計(jì)算得到。作為加速度場(chǎng)施加給整個(gè)模型，并將計(jì)算后重物產(chǎn)生的相應(yīng)載荷施加于伸縮臂頂端。

5） 風(fēng)載荷 設(shè)計(jì)風(fēng)速為vf＝20 m／s，風(fēng)壓采用q＝0.613×v2f計(jì)算。風(fēng)載的方向是不確定的，應(yīng)按最不利于關(guān)鍵零部件受力的方向施加。

整體模型下各部件之間的連接默認(rèn)為剛性連接，計(jì)算時(shí)不符合實(shí)際情況，應(yīng)添加對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副約束各部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。各部件間的約束關(guān)系如表1所示。

表1 各部件之間的運(yùn)動(dòng)副和約束關(guān)系

2.2 工況抽樣

由于在不同工作半徑下，折臂抓管機(jī)的額定起吊載荷不同，因此不能通過簡(jiǎn)單的抽樣方式來隨機(jī)抽取若干工況。根據(jù)折臂抓管機(jī)工作時(shí)吊爪的移動(dòng)特性，選取某一工作半徑下，在主臂液缸和折臂液缸工作行程內(nèi)，吊爪從最低處起升至最高處的運(yùn)動(dòng)路徑，在此路徑上依次進(jìn)行抽樣，利用有限元計(jì)算分析后，通過觀測(cè)運(yùn)動(dòng)副處的受力，繪制出力的變化趨勢(shì)，從而判斷出最惡劣的受力工況姿態(tài)。

此計(jì)算過程拓展至整個(gè)工作區(qū)間，仍采用抽樣方式，對(duì)不同工作半徑下的折臂抓管機(jī)受力進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，便可獲得較為全面的多工況下的計(jì)算結(jié)果。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

首先根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判斷各力的變化情況。選取工作半徑17.5 m、額定載荷90 k N情況下，幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力：主臂與臺(tái)體鉸點(diǎn)、主臂與主臂液缸鉸點(diǎn)、主臂與折臂鉸點(diǎn)、主臂與折臂液缸鉸點(diǎn)。以主臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度（主臂液缸行程）作為主變量，吊爪從最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的受力變化曲線如圖5～8所示。

圖5 起升時(shí)主臂與臺(tái)體鉸點(diǎn)力變化曲線

圖6 起升時(shí)主臂與主液缸鉸點(diǎn)力變化曲線

圖7 起升時(shí)主臂與折臂鉸點(diǎn)力變化曲線

圖8 起升時(shí)主臂與折臂液缸鉸點(diǎn)力變化曲線

根據(jù)各力的變化曲線可以得出結(jié)論：在當(dāng)前工作半徑（17.5 m）下，上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力大體上隨著吊爪起升高度的升高而變大。即折臂抓管機(jī)整體受力最惡劣的工況在當(dāng)前半徑下的最高起升點(diǎn)。其對(duì)應(yīng)的主臂轉(zhuǎn)角為61°，主臂和折臂間的夾角為74°。以此位置作計(jì)算點(diǎn)，比較有限元結(jié)果與按照API 2C規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，如表2所示。需注意對(duì)不同部件而言，引起最大受力的環(huán)境載荷的方向是不同的［5］，因此表2中給出的值是在不同環(huán)境載荷方向下各節(jié)點(diǎn)的最大值，與圖5～8中的最大值并不是完全一一對(duì)應(yīng)相等的。

表2 有限元結(jié)果與按照API 2C規(guī)范計(jì)算比較

對(duì)比發(fā)現(xiàn)有限元結(jié)果與按照API 2C規(guī)范的計(jì)算值是基本相符的。對(duì)應(yīng)最大受力位置點(diǎn)的整體位移圖和應(yīng)力圖分別如圖9～10所示。

圖9 折臂抓管機(jī)整體位移

圖10 折臂抓管機(jī)整體應(yīng)力

通過整體位移云圖可判斷折臂抓管機(jī)的整體剛度是否達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求。當(dāng)伸縮臂頂部位移值超過許用值時(shí)，應(yīng)考慮提高主臂和折臂的剛度。

從整體應(yīng)力云圖可以查看主臂與臺(tái)體鉸點(diǎn)、主臂與主臂液缸鉸點(diǎn)、主臂與折臂鉸點(diǎn)、主臂與折臂液缸鉸點(diǎn)4處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的放大應(yīng)力分布情況，如圖11～14所示。

圖11 主臂與臺(tái)體鉸點(diǎn)應(yīng)力分布

圖12 主臂與主臂液缸鉸點(diǎn)應(yīng)力分布

圖13 主臂與折臂鉸點(diǎn)應(yīng)力分布

圖14 主臂與折臂液缸鉸點(diǎn)應(yīng)力分布

依據(jù)上述方法，對(duì)折臂抓管機(jī)工作半徑區(qū)間3～25 m范圍內(nèi)進(jìn)行均勻抽樣計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)折臂抓管機(jī)工作在17.5 m、90 k N、起升至最大高度時(shí)，主臂與臺(tái)體鉸點(diǎn)、主臂與主臂液缸鉸點(diǎn)的力達(dá)到最大；而主臂與折臂鉸點(diǎn)、主臂與折臂液缸鉸點(diǎn)的力在折臂抓管機(jī)工作至23.5 m、55 k N、最大起升高度時(shí)達(dá)到最大值，若采用傳統(tǒng)方法，依據(jù)折臂抓管機(jī)工作特性曲線選取抽樣點(diǎn)來計(jì)算，將會(huì)遺漏此工作姿態(tài)的計(jì)算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，如通過改變厚度提高板材的強(qiáng)度；調(diào)整加強(qiáng)筋板的數(shù)量；對(duì)于非關(guān)鍵零部件，可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度的前提下，減輕折臂抓管機(jī)整機(jī)質(zhì)量，提高其在工程應(yīng)用中的價(jià)值。

3 結(jié)論

1） 通過參數(shù)化折臂抓管機(jī)主臂和折臂的工作角度獲得任意姿態(tài)下折臂抓管機(jī)的實(shí)體模型，避免了手工計(jì)算時(shí)對(duì)折臂抓管機(jī)在不同姿態(tài)下的放樣測(cè)量，簡(jiǎn)化了計(jì)算前期的數(shù)據(jù)收集工作。對(duì)折臂抓管機(jī)多工況的抽樣覆蓋較為全面，并可視計(jì)算機(jī)配置情況進(jìn)一步提高抽樣點(diǎn)數(shù)量，與手工計(jì)算相比效率更高。

2） 將折臂抓管機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，既可獲得關(guān)鍵零部件應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，又可獲得各部件之間的相互作用力，可作為關(guān)鍵部件（如液缸、回轉(zhuǎn)支承）選型計(jì)算的依據(jù)。當(dāng)折臂抓管機(jī)用戶能夠提供詳細(xì)作業(yè)海域的波浪載荷譜（加速度—時(shí)間歷程）時(shí)，該模型還可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析、模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)分析，以獲得動(dòng)態(tài)環(huán)境下折臂抓管機(jī)的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

3） 基于ANSYS WORKBENCH將折臂抓管機(jī)的設(shè)計(jì)過程集成化，可實(shí)現(xiàn)初步模型設(shè)計(jì)—初步強(qiáng)度校核—局部設(shè)計(jì)更改—整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，使折臂抓管機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程更為簡(jiǎn)便和高效。

［1］ 崔學(xué)政，張富強(qiáng)，肖文生，等.海洋鉆井平臺(tái)折臂起重機(jī)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（11）：28-31.

［2］ 王晟.海洋風(fēng)浪載荷對(duì)7500t浮式起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2009（12）：50-54.

［3］ Offshore Pedestal-mounted Cranes.API SPECIFICATION 2C SEVENTH EDITION［S］，2012.

［4］ 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范［S］.中國(guó)船級(jí)社，2008.

［5］ GB／T3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Parameterized Structural Analysis of Multi-attitudes for Offshore Platform Knuckle Boom Pipe Crane

QIAO Xiao-feng1，LUAN Su1，SU Jing2，YUAN Jie3，HUI Xiao-ying3，WANG Xue-yi1，SONG Zhi-gang1
（1.National Oil and Gas Drilling Equipment Engineering Technology Research Center，Baoji 721002，China；2.CNOOC，Beijing 100027，China；3.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China）

Parameterized-model was established for the whole knuckle boom pipe crane of offshore platform by ANSYS WORKBENCH，and multi-attitudes was obtained by changing the boom and knuckle boom lifting angle.During the analysis of structure，some attitudes of the knuckle boom pipe crane on any lifting radius were sampled to calculate entire strength by considering environmental loads，boom weight，rating load to achieve stress and strain results of all key parts and nodes by finite element analysis.A quick-efficient analysis of entire strength for knuckle boom pipe crane was achieved.

offshore platform；knuckle boom pipe crane；multi-attitudes；parameterized；structural analysis；entire strength

TE951

A

1001-3482（2014）03-0052-05

2013-09-16

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水半潛式鉆井平臺(tái)及配套技術(shù)”子課題“深水鉆機(jī)管子處理系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研制”（2011ZX05027-001-06）

喬曉鋒（1978-），男，陜西富平人，工程師，主要從事石油鉆機(jī)管子處理系統(tǒng)研究，E-mail：2002qiaofeng＠163.com。