鋪管船用張緊器主梁結構優(yōu)化設計

1、<p>　　鋪管船用張緊器主梁結構優(yōu)化設計</p><p>　　摘 要：張緊器是海洋鋪管的關鍵設備，張緊器主梁性能對鋪管作業(yè)起著至關重要的作用。目前國內有關張緊器的設計研究較少，本文對電動張緊器主梁進行結構設計，并在此基礎上利用ANSYS有限元軟件進行優(yōu)化研究，進而得出了通用性較好的張緊器主梁。 </p><p>　　關鍵詞：鋪管船 張緊器 結構設計 優(yōu)化設計 </p>

2、;<p>　　海上開采出的油氣主要通過海底管線輸送到陸地，先進可靠的海底管線鋪設技術越來越顯得重要。鋪管船用張緊器是鋪管船法鋪設海洋管道的關鍵設備。主要作用有兩個方面：一是起固定管線的作用，使得船上的焊接作業(yè)得以進行；另一方面是起到保持管線恒張力的作用，使得鋪管船在潮漲、潮落和受風浪等作用升沉和搖蕩時，使管線張力保持在允許值范圍內，避免管線超過許用應力而遭到破壞[1]。履帶系統主梁是張緊器設備中重要部件，主梁裝置對張緊器設

3、備的整體性能的發(fā)揮十分重要，因此主梁是張緊器設計的重點 </p><p>　　一、優(yōu)化模型的建立 </p><p>　　優(yōu)化分析就是將系統轉換成帶有設計變量的數學模型，從數學理論上講就是將設計構造成一個約束非線性規(guī)劃問題。張緊器優(yōu)化問題可以歸于約束非線性規(guī)劃問題。對于約束非線性規(guī)劃問題，在有限元方法中是根據約束變分原理采用罰函數法將其轉化成求修正泛函的駐值問題[2]。 </p>

4、<p>　　1.設計變量及目標函數的選取 </p><p>　　對于張緊器主梁來說，其優(yōu)化設計選取質量為設計目標，對于給定外形尺寸的主梁來說，質量住院起哦取決于主梁各板的厚度，設各板的厚度為 （ ），用向量表示為 </p><p><b>　　（1） </b></p><p>　　目標函數可以表示為 </p><

5、;p><b>　　（2） </b></p><p>　　式中， 為材料的密度， 為各板的厚度， 為對應厚度板的面積。 </p><p>　　2.約束條件及計算方法 </p><p>　　為保證主梁能夠安全可靠的工作，需滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的要求，為此可以建立以下約束條件。 </p><p><b>　　

6、應力約束條件為： </b></p><p><b>　　剛度約束條件為： </b></p><p>　　變量的取值邊界條件為： </p><p>　　式中 和 分別為為結構中最大應力和最大變形量； 和 分別為為許用應力值和許用變形量； 為各板厚度。 </p><p>　　采用罰函數法是引入權因子 ，把帶有約束

7、條件的約束函數加給目標函數，形成廣義的增廣函數，即[3] </p><p><b>　　（3） </b></p><p>　　式中， 為約束條件的函數。 </p><p>　　二、張緊器主梁的設計 </p><p>　　張緊器主梁結構組成為：在主梁長度方向上有兩個矩形的翼板，在翼板兩側的中下部有分別連接一個水平的板，該板

8、主要為支重輪安裝使用，板下部有加強筋板；翼板兩端為和張緊器框架連接板和梁等結構。根據張緊器的工作要求及有關參數進行主梁的二維設計與三維設計。 </p><p>　　二維模型采用CAD軟件設計，三維模型采用Pro/e建立。由于主梁上還安裝有支重輪等部件，本研究只設計主梁整體焊接部分，結果如圖1和圖2所示。 </p><p>　　三、張緊器主梁的優(yōu)化分析 </p><p&g

9、t;　　張緊器主梁結構形狀復雜，難以建立微分方程組、確定的邊界條件和初值條件，為了解決這個問題，我們常常要借助于數值方法來求近似解。ANSYS作為現今主流的有限元軟件，其在有限元分析時具有強大的功能，因此，本文采用ANSYS有限元軟件進行分析。 </p><p>　　圖1 張緊器主梁二維設計結構示意圖 </p><p>　　圖2 張緊器主梁三維結構示意圖 </p><p

10、>　　1.主梁的有限元分析 </p><p>　　1.1建模及邊界條件 </p><p>　　1.1.1有限元模型建立。直接在ANSYS中采用自上而下的實體建模。 </p><p>　　1.1.2單元類型選擇及參數確定。主梁選用SHELL63單元，材料為Q345鋼，彈性模量為2.06e11，泊松比0.3，密度7850kg/m3 </p><

11、p>　　1.1.3網格劃分及加載。采用控制單元大小的網格劃分；主梁和框架連接處完全約束，和鏈輪連接處加力 </p><p><b>　　1.2計算結果 </b></p><p>　　根據張緊器作業(yè)時的實際受載情況加載結果如圖3所示。 </p><p>　　圖3 主梁受載后應力云圖 </p><p>　　從分析結果的

12、圖3可以看出，加載后，主梁的最大應力為285.425MPa，發(fā)生在主梁兩側平板和連接板處，此處應力遠大于其他地方的應力，應力集中。這是由于在建模時對此處連接的處理采用直角過渡，因此造成應力集中，但此處的應力并不能反映真實的情況，在實際建造中是可以采取措施避免。主梁其他非應力集中處最大應力水平為150MPa左右，大部分區(qū)域都在70MPa左右，主梁結構的材料為Q345鋼，材料的屈服強度355MPa，可知主梁的最大應力小于材料的屈服強度，安全

13、系數為2.47，結構在強度上是安全的。 </p><p>　　從圖3知，除應力集中外，其他處應力都不大，存在材料浪費。因此需要對主梁結構和板的尺寸進行適當的優(yōu)化以減少用材量，減輕整個設備的重量 </p><p>　　2.張緊器主梁結構優(yōu)化 </p><p>　　根據ANSYS優(yōu)化設計的要求，需要指出優(yōu)化過程中的設計變量（DV）、狀態(tài)變量（SV）和目標函數（OBJ）[

14、4]。設定零階方法，程序中設置的最大迭代次數為20次，程序循環(huán)了18次之后由于結果收斂就停止。分析完成后通過OPLIST命令查看分析結果如圖4所示。 </p><p>　　圖4 主梁材料體積變化規(guī)律 </p><p>　　從主梁所用材料的體積變化規(guī)律來看，第8階的時候體積最小，這時各個參數的情況如表1所示。 </p><p>　　表1 體積最小各設計變量值 <

15、/p><p>　　表1是主梁所用材料體積最小時各個設計變量的值，也就是各個板的厚度，以上數據是計算結果，具體采用還要結合實際情況進行取舍和改變。由主梁在整個張緊器的位置和作用知道，主梁在縱向上可以看成一個簡支梁，最可能發(fā)生有由于剛度不夠而變形，在橫向上可能由于箱體兩側板（T1）剛度不夠而被支撐拖輪的板撕裂變形，更有甚者可能被撕裂破壞。由于箱體兩側的板作用很大，此處設計時需重點考慮。而對于箱體中間的加強板（T3和T4）

16、和拖輪支撐板下的加強筋，在強度和剛度都滿足的情況下可以適當減薄。 </p><p>　　根據上面的討論情況，最終確定的各個板的厚度如表2所示 </p><p>　　表2 最終確定主梁的參數 </p><p>　　以最終確定的尺寸重新建立模型進行分析，分析的結果如圖5所示。 </p><p>　　圖5 優(yōu)化主梁的應力云圖 </p>

17、<p>　　由圖5知道，優(yōu)化后主梁的最大應力為355MPa，比優(yōu)化前稍大，這是因為優(yōu)化后各個板的厚度都有所減小，而此處仍為應力集中，原因同結構優(yōu)化前。根據分析，我們最關心的是箱體左右的板或左輪支撐板上應力的大小，從圖5可以看出，它們的最大應力都沒有超過材料的屈服極限，所以結構是安全的。而且優(yōu)化后結構的總重量減輕了14.14%，減少了用材料的量，降低了成本 </p><p><b>　　四、結

18、論 </b></p><p>　　本文以鋪管船用張緊器主梁為研究對象，利用ANSYS進行了有限元分析，針對分析表現的不足進一步進行了優(yōu)化，使設備的重量大大減少，降低了生產制作成本。本文只是從尺寸方面進行的優(yōu)化研究，但對于具體的設計仍有借鑒意義 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] M.R.Mi

19、tchell，J.Gessureaule.A constant tension winch：design and test of a simple passive system.Ocean Engineering，1992，5（19）：489-496. </p><p>　　[2] 岳中第，林承禎.基于ANSYS的整體結構分析技術.ANSYs2000年會論文集. </p><p>　　[3