基于ANSYS的伸缩式过桥桥体结构的有限元分析

2017-08-16 09:30李利斌徐金帅

福建质量管理 2017年1期

关键词：桥体过桥滚轮

李利斌徐金帅

(大连理工大学运载工程与力学学部辽宁大连 116000)

基于ANSYS的伸缩式过桥桥体结构的有限元分析

李利斌徐金帅

(大连理工大学运载工程与力学学部辽宁大连 116000)

伸缩式过桥的作用是作为海洋平台供应船与海洋平台之间的连接通道，供人员通行，桥体是过桥结构的核心部分。本文利用ANSYS对过桥桥体进行有限元静力分析，验证了结构满足使用要求，为过桥桥体的设计提供了依据。

ANSYS；过桥；桥体；有限元；静力分析

一、引言

全回转伸缩式过桥装置作为海洋平台供应船通向海洋平台的一种通行方式，比直升飞机平台更加实用方便，因而越来越得到更多船东的青睐。

桥体是过桥装置的实现整机功能的核心部分，其一端连接过桥装置的塔身部分，另一端通过着陆装置搭接在海洋平台上，形成一个供人员出入的通道。

目前国内对过桥桥体的计算研究较少，CCS中没有关于桥体的设计规范，ABS也是在2016年8月才公布了有关过桥的规范。本文以PROE为平台，建立伸缩式过桥桥体的三维实体模型，参照ABS中关于过桥的规范，用ANSYS对桥体进行有限元分析，指导设计，优化结构，同时也为今后此类产品的设计和研究提供了计算依据。

二、过桥桥体结构

过桥的结构如图1所示。过桥桥体由固定过桥和活动过桥组成，一端安装在塔身上，另一端通过所连接的着陆装置搭接到海洋平台上，通过变幅油缸的伸缩运动实现俯仰动作。固定过桥和活动过桥上都分别装有滚轮和导轨，通过伸缩装置的驱动，活动过桥可以在固定过桥内伸缩移动。固定过桥和活动过桥的主体均由方形铝管焊接而成，同时焊接铝板以做加强或与其它部件连接之用。滚轮支架、导轨及伸缩装置支架的材料均用钢材Q345D。

1—塔身；2—固定过桥；3—伸缩装置；4—活动过桥；5—着陆装置；6—变幅油缸

图1 过桥

三、过桥的作业工况

本过桥属于限制通行人数类型，每次只允许通过一人。作业海况四级。

根据ABS规范，过桥共有三种工况：搭接工况、悬臂工况和紧急提升工况，限于篇幅，本文仅对悬臂工况进行分析，即：着陆装置离地，变幅油缸支撑，桥体长度L=24m，过桥桥体自由端作用力F=2.4kN。

四、过桥桥体有限元模型的建立

本文采用了模块化的建模方法，即分别建立固定过桥、活动过桥、滚轮支架的有限元模型，再将其组装起来，其中伸缩装置支架分别建立在固定过桥和活动过桥上，具体如下：

1.采用实体建模(SOLID45单元)的方法，分别建立固定过桥、活动过桥和滚轮支架的有限元模型。

在固定过桥和活动过桥有限元模型中，需要对铝材和钢材赋予不同的材料属性。在各模块的有限元模型内部，无论何种材料，不同零部件之间均通过共节点连接。

由于在各种载荷中，桥体的自重影响最大，而有限元模型与设计重量可能有较大的差别，所以需要检查并调整各模块有限元模型的重量，即根据设计重量与有限元模型的重量之比，调整各模块的材料属性的密度。

2.根据工况参数(桥体的工作仰角α、桥体的工作长度L)组装和连接各模块的有限元模型。固定过桥和活动过桥之间通过滚轮连接，而各滚轮与固定过桥、活动过桥、滚轮支架之间的连接以及滚轮支架与固定过桥和活动过桥之间的连接都采用销轴连接。这里不将销轴接触和滚轮接触作为研究对象，同时为了减小有限元建模难度和提高运算速度，对这两种接触进行了简化处理。其中将销轴接触简化成刚性约束，具体做法是在销轴中心和销孔中心分别建立mass21单元，设定其各实常数均为0，将销孔中心与销孔周圈节点建立刚性区域，再将销孔中心与销建立相应的刚性约束(放开绕销轴轴向转动的自由度)。对于滚轮接触，可将其简化成单向受压的link180单元。固定过桥和活动过桥上各自的伸缩装置支架部分，在其连接处建立刚性区域。

3.用link180单元建立油缸的有限元模型。

4.施加约束。约束固定过桥与塔身连接销轴的除绕轴向旋转外的其它5个自由度，并约束油缸与塔身连接处的三个平稳自由度。

5.施加载荷。过桥桥体的载荷组合除了ABS规范中规定的集中载荷外，还包括桥体的自重载荷和风载。其中自重载荷要考虑到船舶横倾角、纵倾角、横摇角、纵摇角、垂向加速度和横向加速度的影响，将其体现在重力加速度的各个分量中。风载均匀作用桥体迎风的变幅平面的各个节点上。最终建立的桥体有限元模型如图2所示。