超大型浮式结构物连接器设计

田玉芹，刘　璐

(1.青岛黄海学院，山东 青岛 266427； 2.威海海洋职业学院，山东 威海 264300)



超大型浮式结构物连接器设计

田玉芹1，刘璐2

(1.青岛黄海学院，山东 青岛 266427； 2.威海海洋职业学院，山东 威海 264300)

针对机械行业的各种连接器特点，在研究MOB连接器的基础上，初步设计一款新型球状连接器，分析连接器的各部分功能，静力强度计算校核表明，该连接器结构满足设计规范，符合使用要求。

超大型浮式结构物；连接器；概念设计

超大型海洋浮式结构物由于尺寸巨大，用途各异，从维护和使用角度的出发，其结构必然是模块化的，而模块之间连接的连接器的设计就显得尤为重要。通过研究分析很多行业的机械连接器，如车钩缓冲装置、轴毂复合连接装置等，并在研究MOB连接器的基础上，从第一代简单铰接式连接器发展到第五代新型柔性连接器[1-2]中得到启发，根据类似型模块的连接器雏形，主要考虑强度，初步设计了适用于半潜式超大型浮式结构物的一款柔性连接器——新型球状连接器。

1　连接器的初步设计

1.1正极

正极分正极载体及中轴(见图1)，除正极中轴以外的正极部分都为正极载体，而正极载体中最为重要的部分为其载体的中后部分(见图2)，很多重要的保证强度的构件都在此处。

图1　连接器正极中轴

图2　连接器正极载体中后部分

正极载体中后方的液压装置用来控制中轴的进度，与正极载体中的连接器连接感应，而连接器安装在漏斗状缩口的内侧，负责把中轴的受力变化情况的信号传感至液压装置。当因为浮体两模块相对运动过大使得中轴某点受力过大时，液压装置就可以做出调整进度的反馈，避免中轴的损害断裂。在漏斗状缩口的内侧，装有橡胶，防止球头和缩口的摩擦损坏。正极中轴采用两个椭球体做为球头，在连接时的快捷程度上比其他如立方体等的几何体有很大优势，而又比同径球体在成本和重量上有很大优势。

基于美国Brown&Root关于MOB连接器的研究[3]，设计正极空腔直径为4.03 m，扩张处最大直径8 m；正极中轴外直径4 m，内直径2 m，长度12 m(不含球头)，球头椭球的长轴长为4 m，短轴长为2.67 m。设计中轴板厚0.15 m，缩口厚度0.15 m,正极载体其他部分的厚度0.05 m。

1.2负极

负极结构(见图3)外侧是一个开放性接口，方便球头在一定范围内都能撞入负极内部，而在接口边缘与内部结构连接的范围内，环内部开口铺设橡胶，防止球头安装撞击时的强大冲力损坏结构，而装设橡胶以后可能导致球头的横向运动受阻，故在橡胶层表面的中间位置再铺设一层薄铁片做连接轨道，方便球头顺利的横向移动以便撞入连接口。

图3　连接器主要负极结构

在负极内部空腔前，有一个弹性卡簧见图4，可以在连接器连接初成的时候给予一定的缓冲作用，卡簧内侧也安装有联接器，反映受力变化的信号给负极后方的液压装置，配合正极中的整个感应系统协调正极中轴的进度，防止应力集中或者其他恶性损坏情况发生。

图4　连接器负极弹性卡簧结构

同样基于MOB研究，设计橡胶层铺设范围直径8 m，连接轨道占据橡胶层的中间，宽同球头长轴长度4 m，负极内部开口及空腔直径为4.03 m；初步设计橡胶层厚度0.05 m，连接轨道铁片厚度为0.01 m，弹性卡簧的厚度为0.15 m。其余负极的其他装置的厚度均为0.05 m。

1.3连接器的连接过程

将正负极分别安装在两个超大浮式结构物模块中，当定位完成后，连接过程便开始了。首先，正极处的液压装置推动正极中轴向前运动，这时，随着正极轴的运动，缩口处会随着感应到的压力的减小逐渐缩小，直至卡住后部球头；在中轴的移动过程中，前球头则慢慢伸出正极载体，直到撞上负极卡簧时，负极的液压装置开始工作，控制卡簧放松，使得连接器球头能够顺利进入空腔。这时，卡簧上的连接器可以感应到压力慢慢减小，卡簧则渐渐收紧，直至顺利卡住前部球头，由此开始，正极缩口上的连接器和负极卡簧上的连接器同时进入正常工作常态，即在应力过大情况下会传感至液压装置，调整正极中轴的进度。至此，整个连接器连接过程结束，连接过程见图5～7。

图5　连接器连接前

图6　连接器连接过程中

图7　连接器连接后

2　连接器的静力强度校核

两个模块的相对运动决定了连接器的受力。两个大型浮体一共有6自由度的相对运动，见图8。分别是相对横向运动、相对纵向运动、相对垂向运动、相对偏移、相对扭转和后一个大型浮体相对于前一个大浮的相对前倾[4]。

图8　超大型浮式结构物各自由度相对运动

模块之间的运动对连接器的正极轴影响最大，在设计的连接器中，正极和负极球头和球杆连接处比较脆弱，但是缩口和卡簧内部的连接器可以在一定范围内调整进度进行保护。所以，相对来说，反而是伸出正极和正极结构相交的部分最危险。所以，静力计算时对连接器中轴的模型进行适当简化，去掉球头，只研究应力较为集中的地方，即光轴上距负极较近的球头1 m处，也就是连接完成后与正极中轴与正极载体的交界处。根据D.V.Ramsamooj，T.A. Shugar关于MOB连接器的研究及试验和理论证明，此处引起疲劳裂纹的力可以综合成对环连接器轴的剪切力[5]，初步概念设计需要达到的负荷是每个连接器120 MN，这个载荷是设计载荷或最大工作载荷，基于安全系数1.5，而相对的屈服极限为448 MPa。 正极中轴连接后剪切力最大位置如图9所示，其剖面剪切力如图10所示。要满足其强度和疲劳方面的要求，应满足以下要求：能承受剪切力：120 MN，极限剪应力不大于552 MPa[6]。

图9　连接后剪切力最大的位置

图10　剪切力剖面图

对于最简单的等断面圆杆，断面的最大剪应力为

(1)

式中：M——转矩，M=TD；

τ——剪切力；

通过给出条件可以求出最大转矩M，最大转矩所在截面称为危险截面

(2)

式中:[τ]——轴材料的许用切应力。

不同材料的许用切应力[τ]各不相同，通常由扭转试验测得各种材料的转转极限应力τu，并除以适当的安全因数n得到，即

(3)

根据公式，初步得出剪切力为78.4 MPa，远小于屈服极限552 MPa。最大应力的理论分析值为118.3 MPa，取安全系数为1.5，则应力为177.45 MPa，远小于极限屈服应力448 MPa。这表明结构满足设计规范，但由于还需要考虑其他例如连接时动态碰撞等实际问题，故不宜贸然减小尺寸。

4　结论

新型球状连接器摒弃了传统应用于超大型浮式结构物的机械连接器的雏形，结构相较于原来简易机械连接器复杂了很多，但是其连接过程极其简单。同时，由于此款连接器结构中有多处液压装置、连接传感装置和防撞橡胶的运用，使得连接器的强度在一定程度上得到了保证。此球状连接器属于前期概念设计，仅从理论粗略分析其合理性，后期还需进行静力仿真计算和动态的碰撞分析，结合工程的具体应用，进一步分析。

[1] 王志军,舒志，李润培，等.海洋浮式结构物概念设计的关键技术问题[J].海洋工程,2001.

[2]余澜,李润培,舒志.移动式海上基地连接器研究现状与发展[J].海洋工程,2003.

[3] RAMSAMOOJ D V, SHUGAR T A. Reliability analysis of fatigue life of the connectors-the US Mobile Offshore Base[J]. Marine Structures, 2002,15:233-250.

[4] 崔维成,杨建民,吴有生,等.水弹性理论及其在超大型浮式结构物上的应用[M].上海：上海交通大学出版社,2007：262-274.

[5] RAMSAMOOJ D V, SHUGAR T A. Prediction of fracture-based fatigue life of connectors for the mobile offshore base[J]. Marine Structures, 2001，14:197-214.

[6] 陆鑫森.高等结构动力学[M].上海：上海交通大学出版社,1992:46-47.

Design of the Connector for Very Large Floating Structures

TIAN Yu-qin1, LIU Lu2

(1.Qingdao Huanghai University, Qingdao Shandong 266427, China; 2.Weihai Ocean Vocational College, Weihai Shangdong 264300, China)

Based on the researches of the characteristics of the various machinery connector, especially for the MOB connectors, a new type of spherical connector is designed preliminarily. The function of each part of the connector is analyzed and its static strength is checked. It is proved that the designed connector meets the design specifications and the operation requirements.

very large floating structures; connector; concept design

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.035

2015-09-14

2015-10-13

2015年山东省民办本科高校优势特色专业“船舶与海洋工程”支持计划阶段性研究成果；校级科研项目(2013dxkj01)

田玉芹(1978-)，女，学士，副教授

U674.38;P752

A

1671-7953(2016)01-0165-04

研究方向:船体结构设计与制造

E-mail:tyqhjl@163.com