锚缆夹具抗冲击性能的有限元分析

锚缆夹具抗冲击性能的有限元分析

0基于anasis软件的锚缆夹具的有限元分析作为工业血液，石油的需求每天都在增加。中国南海石油资源丰富，是重点油气开发的中心。浮式生产储油船(FPSO)是一种集储油、处理和卸油等功能于一体的综合油气开发平台，其适用范围广，是具有很强竞争力的海洋设备目前工程上锚链安全监测方法主要有两种本文研究的锚缆夹具属于新式海洋石油装备，目前尚缺乏相关研究。为了保证倾角仪在位运行期间，尤其是在台风期间不至于从锚缆处滑落，夹具设计时必须要有足够大的摩擦力来抵抗自身重力及锚缆运动带来的冲击载荷。本文基于ANSYS软件，建立了该夹具有限元数值分析模型，研究了不同设计参数下夹具能获取的最大静摩擦力。研究结果可为夹具设计及其工程应用提供一定的理论依据。1在夹具夹夹过程中，对锚缆和锚缆之间的安装要求明确为实现夹具与锚缆之间的夹紧功能，使用橡胶圈作为中间零件。一方面，相比于金属与金属，橡胶与金属之间有更大的摩擦因数；另一方面，选择合适硬度的橡胶能够在保持设计夹紧力的同时，保护锚缆免于被夹具挤压破坏。夹具摩擦力的获得主要依靠夹具上的橡胶挤压锚缆获得，在夹具夹紧过程中，橡胶被不断压缩，其变形能力和位移关系已经远远超出了胡克定律的理论范畴，属于典型的几何非线性问题。同时橡胶为超弹性材料，属于材料非线性问题；此外，夹具与夹具、夹具与锚缆之间涉及多个部位之间的接触；故本文夹具夹紧是一个高度的非线性问题，为获得较为准确的计算结果，其中涉及的几何非线性、材料非线性以及接触非线性问题，在有限元模型建立时都必须加以考虑。1.1橡胶材料本构模型目前工程上主要以连续介质力学为基础，橡胶材料被认为是超弹性近似不可压缩体，其力学模型表现为复杂的材料非线性。国内外学者已经提出的用来表征橡胶材料的模型有基于统计热力学的Heo-Hookean应变能函数、Expoential-hyperbolic应变能函数以及基于连续体的表象学方法的Mooney-Rivlin模型，Klosenr-Segal模型和Ogden-Tschoegl模型(1)式中：该数学模型很好地描述了变形小于35%的橡胶材料的力学性能，满足橡胶材料实际应用中的性能计算要求。对于使用橡胶材料作为零件设计材料，在材料选型时硬度与压缩量或者压缩率是最重要的两个参数。根据文献1.2anasas库伦模型面-面接触单元支持库仑摩擦模型。在基本的库仑摩擦模型=式中：粘合/滑动计算取决于什么时候一个点从粘合状态到滑动状态，摩擦因数可以是任一非负值。程序缺省值为表面之间无摩擦。ANSYS库伦摩擦模型如图1所示。当然也可以指定最大等效剪应力，不管接触压力值的大小，如果等效剪应力达到此值时即发生滑动。为了指定接触界面上最大许可剪应力，设置常数2数值模型的建立为了建立正确有效的力学分析模型，在保证模型合理性的情况下，同时考虑建模方便和节省计算资源，忽略不必要的模型细节，做如下假设：(1)橡胶材料采用丁腈橡胶，具有确定的弹性模量和泊松比；(2)橡胶材料拉伸与压缩的蠕变性质相同；(3)蠕变不引起体积变化，故橡胶可看成不可压缩材料；(4)倾角仪不是主要分析对象，模型中仅考虑重力和惯性作用，故建模时以质量单元mass21代替；(5)模型中的倒角与销孔等不影响整体强度和分析的细节，建模时不予考虑。基于上述假设，建立了夹具有限元分析模型，其网格划分如图2所示。模型中网格采用扫掠网格划分方式，以生成六面体网格为主，六面体网格在较少网格的情况下也可得到精确的计算结果。单元类型选择支持超弹性变形的solid186单元，该单元有20个节点，能准确模拟橡胶的变形特性。接触单元采用targe173和conta174单元，该3D面-面接触单元支持上述的标准库伦摩擦模型。建立的有限元模型包含实体单元、接触单元以及质量单元，共计20458个单元。3夹具有限元分析为了从理论上验证该夹具设计的合理性及工程施工操作的可行性，本文从夹具强度、接触压力、最大静摩擦力、螺杆预紧力及扭矩施加等角度，对夹具进行一个全面的有限元分析。模型钢缆直径固定值为155mm,选取夹具长度的2倍(即1.2m)锚缆段进行分析，此参数适用以下所有分析。3.1正交试验分析本文选取中等偏下硬度(50HD)的橡胶进行分析，研究厚度为22.5mm,宽度为50mm的橡胶圈，径向压缩3mm,对应压缩率为13.3%时,夹具、螺杆的受力及变形情况。模型加载共分3个载荷步：第一个载荷步施加橡胶过盈接触，使橡胶接触单元偏移到锚缆外径处，模拟橡胶圈夹紧钢缆的过程；第二个载荷步施加重力载荷，模拟夹具水下工作状态；第三个载荷步继续施加锚缆轴向力，直至钢缆发生较大滑移，以便获取最大静摩擦力。本文假定最大静摩擦力近似等于滑动摩擦力。图3为夹具夹紧后的VonMises应力和变形云图，其中变形云图为柱坐标系下的橡胶圈挤压变形云图如图4所示。由图4可知，由锚缆径向从外到内，橡胶圈挤压变形逐渐增大，最大值为3.1mm。在挤压过程中，橡胶变形会沿锚缆轴向发生，橡胶圈被挤压向上变形量为1.2mm,同时在重力作用下，橡胶圈向下最大位移为2.38mm。橡胶上、下变形突起位移值并不相等，进而使得摩擦应力也分布不均，橡胶圈下部摩擦应力最大为0.19MPa,最小应力区发生在中部偏上位置。橡胶圈摩擦应力云图如图5所示。图6为螺杆应力分布云图。从图6可知，螺杆的最大应力为34.576MPa,螺杆的应力并没有像只有预紧力作用时分布的那么均匀，最大应力发生在两半夹具接触面稍往外处，此处应力产生除螺杆预紧力之外，其主要是来自于螺杆受到夹具的弯曲作用。从螺杆应力分布结果可以看出，通过扭力扳手施加给螺栓的预紧力并不全部用于橡胶圈的夹紧，还有相当大一部分预紧力用来抵抗夹具的弯矩作用。从结构力学角度分析，螺杆的预紧力与橡胶圈的反弹作用力形成一个平衡力偶，施加的螺杆预紧力到底有多少效率用于橡胶夹紧与两者的作用距离有关。为了验证力学模型和获取夹具的最大静摩擦力，选取橡胶中心处的单元，分析其滑移量与摩擦力轴向分量之间的关系，结果如图7所示。由图7可知：在橡胶夹紧的载荷步中，此时没有外力作用，橡胶中心处不发生滑移，也没有产生摩擦力；随后在逐步施加重力的过程中，橡胶圈中心处开始滑移并产生摩擦力，虚线处为重力加载完毕，对应的滑移量为0.389mm,摩擦力锚缆轴向分量为586.7N。用ANSYS循环计算除锚缆外的每个单元质量，并累计施加的质量单元可得有夹具有限元模型总质量为59.9kg,故模型夹具理论重力为587.0N,同时再提取此载荷步最后子步锚缆轴向的支座总反力，结果为586.9N;三者几乎相等，说明通过不断施加力使夹具产生滑移来获取最大摩擦力的方法可行。由图7还可以看出，随着滑移量逐渐增加到3mm(此时可认为夹具已经滑动),摩擦力趋向于一个定值，此值便是滑动摩擦力。基于前面假设，得到夹具能够获得的最大静摩擦力约为2260.0N,为其重力的3.85倍，故夹具能够承受的最大冲击载荷为3.853.2硬度对最大静摩擦力的影响丁腈橡胶材料的邵氏硬度范围一般为40～80HD,在受零件尺寸限制时，橡胶的设计压缩量往往接近一个定值，因此要获得合适的摩擦力，必须选择合适硬度的橡胶。本文共分析了压缩量为3mm,橡胶宽度为50mm时，使用6种不同硬度的橡胶材料，夹具能够获得的最大摩擦力和螺杆所需施加的预紧力。不同硬度下的最大静摩擦力如图8所示。由图8可知：当橡胶压缩量相同时，最大静摩擦力随着材料硬度的增加而增大，且呈现出非线性，趋势近似于二次曲线；橡胶硬度为75HD时，夹具能获得的最大静摩擦力约为6815N,此时橡胶施加在锚缆上的压力为18271N,其产生的应力为1.58MPa。不同硬度下的橡胶压力和螺杆轴力如图9所示。从图9可以看出，获得最大静摩擦力所需的橡胶压力和螺杆轴力(通过扭力扳手施加扭矩获得)随着橡胶硬度的增加，也呈现出二次增长趋势，且螺杆轴力始终大于橡胶压力，计算二者在不同硬度下的比值分别为0.6262、0.6247、0.6262、0.6216、0.6213和0.6250。由此可见，螺杆预紧力能有效传给橡胶施加压力，从而产生摩擦力的效率大约为62%。3.3橡胶压缩特性的分析压缩量是影响最大静摩擦力的另一重要参数。系泊锚链铺设完成后，上部锚缆段受水压及下部锚链的重力作用，锚缆直径必然变小，实际施工后锚缆直径很难准确界定，而锚缆直径又是夹具设计时的一个重要参数，因此有必要研究一定范围压缩量下的最大静摩擦力。本文选取硬度为50HD,压缩量分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5以及4.0mm进行分析，该范围内橡胶的压缩率为6.67%～17.78%,此压缩率下，两参数的Mooney-Rivlin模型能够较好地模拟橡胶的力学特性。计算结果如图10和图11所示。由图10可知：最大静摩擦力随着压缩量的增加而增大，且近似呈线性关系；当橡胶圈径向压缩量增加到4.0mm时，夹具能获得的最大静摩擦力为2832N。相对硬度的增加，压缩量给最大静摩擦力带来的增加相对较小，即当压缩量在较小范围内时，最大静摩擦力也将维持在一个相对稳定的值，不会出现摩擦力剧烈增大的情况。由图11可知，随着压缩量的增大，螺杆轴力和橡胶压力呈线性增加，且螺杆轴力增加更快。计算二者在不同压缩量下的比值，分别为0.6418、0.6400、0.6346、0.6262、0.6249和0.6214,由此可见，螺杆预紧力能够有效传给橡胶施加压力，而产生摩擦力的效率随着压缩量的增加略微有所减小。4夹具预紧轴力与橡胶压缩量对最大静摩擦力的影响根据锚缆倾角仪夹具的工程实践，采用有限元分析软件ANSYS对夹具进行数值模拟，研究了夹具和螺杆的应力分布情况，通过施加滑移，分析了橡胶的接触压力和接触摩擦应力，得到了夹具工作状态所能获得的最大静摩擦力。此外，进一步研究了橡胶材料的硬度和橡胶压缩量对最大静摩擦力的影响，以及对螺杆预紧力用于产生摩擦力效率的影响，得出以下结论：(1)加强筋板外边缘处应力最大，一定程度上分散了夹具主体管件的应力，且夹具整体应力处于较低水平。(2)选取邵氏硬度为50HD,压缩量为3m