脐带缆张紧器履带框架的有限元力学校核*

□ 贺向新 □ 王燕飞 □ 郭 炜 □ 李冠孚 □ 卢彦铮

内蒙古工业大学 机械学院 呼和浩特 010051

1 概述

水下生产系统的脐带缆是电缆、光缆、钢管、软管或液压缸的组合，整个系统包括深水脐带缆终端、上部脐带缆终端、连接部件等［1］。脐带缆张紧器是铺设脐带缆的必备设备，主要作用是控制所铺设管线的张力，使其保持在允许范围内，避免管线因超过许用应力而遭到破坏或者因张力过小发生屈曲变形。85 t脐带缆张紧器包括履带总成、履带框架、夹紧液压系统，而其中的履带框架起到支撑和承力作用，其结构强度是否可靠是非常重要的。履带框架采用U型结构，主要起固定整个履带的作用，并保证履带安全可靠地工作，在滑轨和液压缸耳环的着力部位添加板梁，提高抗弯强度。左、右履带框架为对称结构，既支撑上履带又与下履带焊接固定，左、右履带以及上履带的自重都将通过下履带框架传递到底座上，所以左、右履带框架与底座之间的连接必须安全、可靠。

履带工作过程中，上履带承受竖直方向的拉力，下履带与底座固定连接，左、右履带工作时会产生水平方向的拉力。所以为了保证脐带张紧器安全稳定地工作，基于ANSYS对上、左、右履带框架进行有限元分析。

2 履带框架力学分析

2.1 建立左履带框有限元实体模型

由于脐带张紧器的左、右履带框是对称结构，所以仅对左履带进行分析。履带框架的模型非常复杂，先在UG中建立其实体几何模型，然后利用UG与ANSYS接口，将UG几何实体模型转化为有限元实体几何模型，再进行有限元分析。另外，为节省分析时间，在不影响分析结果的前提下，对模型进行简化，故在保证框架承力主体部分不变的情况下（即筋板、支撑梁、横梁的结构不变），删去倒角、螺纹孔及其它不影响受力的结构。对于左履带框架模型，选择Solid 95实体单元。由于框架在工作中承受的拉力比较大，作为外部结构需要高的强度，则材料选取碳钢Q420，材料的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，最后分段划分网格如图2所示。

图2 主框架网格划分示意图

▲图3 主框架施加约束与载荷示意图

▲图4 主框架受力状态下应力云图

2.2 左履带框架静力分析

在脐带缆张紧器额定工况下 （履带所受的拉力为30 t/m），施加在框架上的力为：

F=30×3×1 000×9.8/2=441 kN

上履带框架通过4根直梁与左、右履带梁连接，拉力通过该4根直梁传递，接触面积为4个小平面，平面上的应力为：

P=F/4/（200×1 060）=0.52 MPa

均布载荷P=0.52 MPa，200 mm×1 060 mm为上履带框架与左、右履带梁接触面积，大小与实际模型一致。钢结构左、右履带架的底部与底框架固定相连，在框架模型的底部施加全约束。

由图3可看出钢结构履带框架的约束与载荷施加情况，在左履带框架与上履带框架连接的部位施加均布载荷，与下履带连接的部位施加全约束。

图4是主框架受力状态下的应力分布图，履带框架几乎所有的部位所受的最大应力强度不超过σmax=100 MPa。主框架材料选取碳钢Q420，屈服强度σS=380 MPa。 显然有 σmax＜σS，所以钢结构履带框架的结构强度完全满足使用要求。

从图4中可以看出，在梁焊接部位产生了应力集中，但其应力集中部位非常小，可以忽略不计。但仅考虑主框架的强度满足要求是不够的，还要考虑在受力条件下的结构变形情况是否也满足实际要求。

从图5可以看出钢结构主框架的最大变形量为0.001 mm，对于履带框架来说，变形结构很小，可以满足实际要求，因此钢结构主框架的结构方案设计合理。

3 上履带框架力学分析

3.1 建立上履带框有限元实体模型

上履带框架的模型非常复杂，采用处理左右履带框架的方法进行简化处理，在保证框架承力主体部分不变的情况下 （即筋板结构、支撑梁、横梁的结构不变），删去倒角、螺纹孔及其它不影响受力的结构。对于上履带框架模型，选择Solid 95实体单元。由于框架在工作中承受的压力比较大，作为外部结构需要高的强度，材料选取碳钢Q420，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3。对上履带框实体模型进行网格划分，结果如图6所示。

3.2 上履带框架静力分析

在脐带缆张紧器额定工况下 （履带所受的拉力为30 t/m），施加在框架上的力为：

F=30×3×1 000×9.8=882 kN

上履带通过4个液压缸耳环与上履带框架连接，压力通过这4个液压缸耳环传递，接触面积为8个小圆环面，环面上的应力为：

P=F/8/（π×30×40）=29.24 MPa

均布载荷P=29.24 MPa，π×30 mm×40 mm为上履带液压缸与液压缸耳环接触面积，大小与实际模型一致。上履带框架的底部与左、右履带框架固定相连，在框架模型的底部施加全约束。

▲图5 主框架受力状态下变形云图

▲图6 主框架网格划分示意图

▲图7 主框架施加约束与载荷示意图

▲图8 主框架受力状态下应力云图

▲图9 主框架受力状态下变形云图

从图7可看出钢结构履带框架的约束与载荷施加情况，在上履带框架的液压缸耳环部位施加均布载荷，与左、右履带框架连接部位施加全约束。

图8是主框架受力状态下的应力分布图，履带框架所受的最大应力强度不超过σmax=308.69 MPa。履带框架材料选取碳钢Q420，屈服强度σS=380 MPa。显然有σmax＜σS，所以钢结构主框架的结构强度完全满足使用要求。

但仅考虑主框架的强度满足要求是不够的，还要考虑在受力条件下结构变形情况是否也满足实际要求。从图9可看出钢结构主框架的最大变形量为0.007 mm，对于履带框架来说，结构变形很小，可以满足实际要求，因此履带框架的钢结构方案设计是合理的。

4 总结

85 t脐带缆张紧器履带框架是保证脐带缆张紧器结构安全、正常工作的重要承载部件，由有限元仿真分析可知，在承载最大的工况下，上、左、右履带框架所承受最大应力强度小于其屈服强度，并仅产生微小变形，虽局部焊接位置有微小应力集中，但基本不会影响其使用安全及工作性能。因此履带框架的设计完全符合实际工程需要。

［1］ 孙晶晶，刘培林，段梦兰，等.深水脐带缆安装技术发展现状与趋势［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：1-5.

［2］ 李金泉，陈恳，杨向东.基于有限元法的燃料电池发动机主框架静力学校核与静态分析 ［J］.设计与研究，2006（9）：21-23.

［3］ 康守权，张奇峰.遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析［J］.海洋工程，2010，28（1）：117-120.

［4］ 姚惠惠.基于ANSYS的水电站钢衬钢筋混凝土压力管道的应力分析及优化校核设计 ［D］.太原：太原理工大学，2008.

［5］ 贺五一，龙源，蔡建刚，等.80m高钢筋混凝土烟囱爆破拆除力学校核 ［C］.2004年第八届全国爆炸与安全技术学术交流会论文集.2004:91-97.