单位文秘网 2021-07-23 08:14:14 点击: 次
摘 要:本文介绍了涠洲WZ11-4N海洋平台甲板基座式吊机结构情况,利用有限元分析软件solidworks,对吊机在吊装过程中自身应力随负载的位置变化及重量不同、环境变化等影响因子而产生的变化进行有限元分析,通过对分析结果的分析比较,提出吊机吊动载荷的最优方案。
关键词:海洋平台;吊机;有限元分析;最优方案
中图分类号:TE42;TE94 文献标识码:A
0 引言
由于海洋平台远离陆地,平台上面设施的建造、设备的安装、维修以及更换都需要吊机把相应的设备运送到指定位置,如图1所示,但是在吊装过程中,如果载荷过大以及位置的不确定性,这都会影响相关设备的吊装,甚至会出现严重的安全事故。
图1 PDMS吊机模型
本文对吊装设备进行深入研究,并通过对吊装设备的计算分析与有限元分析,得出了更加合理的吊装方案。
1 材料与方法
1.1确定吊机最大负载
根据涠洲WZ11-4N海洋平台需要,确定吊机设备型号YQHA1600,最终确定吊机最大吊起重量,由图2可以看出,浪高会影响吊机最大起重量,浪高2.5m以下最大吊装重量为5吨,浪高超过4m最大起重量为3.5吨;由图3可也看到吊机最大工作半径15m和最大工作高度42.6m.
由上所述,为了有效分析吊机强度,须选择吊机最大负载5吨和最大工作半径15m。
图2 吊机负载曲线
1.2建立吊机三维模型
对吊机进行虚拟强度分析,需要建立相应的三维几何和力学模型,为方便对模型进行有限元分析,这里运用solidworks软件对装配体进行更加真实的进行仿真分析[1]。
吊机力学模型如图所示了,依据此模型,加上吊机实际尺寸,为吊机三维简化模型的建立做准备。
为了方便模型的建立与仿真分析,需要对吊机设备进行简化,如图5所示,这里建立的吊机三维模型包括吊臂、液压设备、机座以及相应的接触轴,其它部分可忽略,特别是吊机头部,有三组滑轮,结构不较复杂,所以只在吊机头部设置一部分平面,方便添加相应的受力。
图3 吊机工作半径、工作高度
图4 吊机力学简化模型
(a)
(b)
图5 吊机简化模型(a)、模型爆炸图(b)
1.3对模型进行有限元分析
1.3.1对模型进行静力分析
本模型有限元分析的难点在于对转动副相关参数的设置,因为转动副是应力比较集中的地方,但是solidworks软件Simulation[2]工具很好的解决了这个问题,可以设置成销钉、轴、连杆、螺栓等连接方式,因此可以对不同连接杆进行有效的仿真分析。
在有限元分析之前,需要把吊机模型装配体进行爆炸处理,如图5所示,这样做是为了方面对转动副添加轴接触。
各部件还需要添加相应的材质属性,以模仿真实材质进行精确的有限元分析:吊臂主要添加锰钢,其它部件添加普通合金钢。之后设置吊机基座底部为固定面,已知吊机最大可吊起5吨重的设备,在吊臂末端添加50KN的向下拉力。
表1 模型材料力学性能[3]
在所有的条件都已满足的条件下,如表1所示,才可以进行网格划分并得出有限元分析结果,否则结果会有差别。为了使能直观的看到各种变化,这里把所有的分析变化系数k定为270,即把变形扩大270倍。
(a)
(b)
(c)
图6 (a)应力、(b)应变、(c)位移
通过图6所示的有限元分析结果,可以看到位移变化比较大的地方是吊机头部,应力、应变变化比较大的地方,与之前设想的是一致的,都是集中在三个运动副处,虽然变化都非常小,但是对吊机的运行寿命有严重影响,这里不再阐述。
上述分析都是在理想状态下进行的,即只受设备重量的影响,没有考虑海上风力影响因素,如表2所示是涠洲岛附近海域2011年1月1日到2015年1月1日的风力状况:
表2 风力等级统计
由上表2可以看出,风力4-5级天数占了67.8%,5-6级风占了21.1%,两项共计占了88.9%,所以这里选择7级风来分析风速对吊臂的影响。
7级风风速为13.9~17.1m/s,选择风速为18m/s,代入以下公式[4]:
(1-1)
上式中,v—风速,m/s;
r—空气重度,N/m3;
g—重力加速度,9.8m/s2
(a)侧面加力 (b)侧面未加力
图7 吊臂加侧风力的位移变化
利用solidworks分析时,这里应该注意到,风力对吊臂的影响是整个侧面,而不是集中在一处,所以在对吊臂添加力约束的时候,需要考虑到除了添加所吊设备对吊臂的竖直方向拉力50kN外,还需添加对吊臂单侧面施加202.5 N/m2的压力,如图7所示,此变形比例调整为394的图形,可以看到在7级风力的影响下,吊臂的侧面位移是很小的,所以在风力等级不大于6级时,可以考虑进行吊装作业。
1.3.2对模型进行频率分析
在海洋平台上吊机吊装时,对所吊设备的稳定性有很高要求,由于运输船只在海上的平稳性受海洋水流和天气的影响,在风急浪高的气候条件下,除会对吊装设备结构强度有影响外,还有可能导致所吊设备与吊装设备颠簸幅度过大,甚至产生共振,造成吊臂损坏,势必会产生不可想象的后果,如图2所示,所以海上吊装作业有环境因素的限制,因此对模型进行频率分析是十分必要的。
图9所示是由图8所示频率参数前四种模型变化情况,形变最大的就是图8中右边两图,振幅与能量有关,所以当外部驱动力过大,会造成振幅过大,虽然振幅与频率没有关系,风力逐渐加大,振动频率和震动幅度都在变大。
综上所述,在天气情况恶劣的条件下,即风力过大,会造成吊臂严重变形,所以此时海上平台不宜进行吊装作业。
2 结论
通过对吊机模型进行静力和频率分析,验证得出以下结论:
(1)整个吊装设备应力集中在各转动副,所以每隔一段时间要对各转动轴进行检测,有磨损的相关部件要及时更换;
(2)在吊装重量达到最大时,风力等级越大,不仅使吊臂的振动频率逐渐变大,而且也在逐渐加大吊臂的变形程度,所以在超过8级大风时,应暂停吊装作业。■
参考文献
[1] 李传龙. SQ5型船用起重机吊臂有限元分析[D],2013.
[2] 陈超祥,叶修梓. SolidWorks Simulation基础教程(2010版)[M],2010.05.
[3] 朱张校,郑明新. 工程材料(第三版)[M],2001.01.
[4] 陈小素,吕先金. 浅谈基本风压计算[J]. 浙江气象,2005,04:26—29.
作者简介:
郝宝齐(1975-),男,汉族,籍贯:天津武清,大连海事大学传播工程专业毕业,工程师。中海石油(中国)有限公司天津分公司。
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