超大型浮式結構物連接器設計

田玉芹，劉　璐

(1.青島黃海學院，山東 青島 266427； 2.威海海洋職業學院，山東 威海 264300)

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超大型浮式結構物連接器設計

田玉芹1，劉璐2

(1.青島黃海學院，山東 青島 266427； 2.威海海洋職業學院，山東 威海 264300)

針對機械行業的各種連接器特點，在研究MOB連接器的基礎上，初步設計一款新型球狀連接器，分析連接器的各部分功能，靜力強度計算校核表明，該連接器結構滿足設計規范，符合使用要求。

超大型浮式結構物；連接器；概念設計

超大型海洋浮式結構物由于尺寸巨大，用途各異，從維護和使用角度的出發，其結構必然是模塊化的，而模塊之間連接的連接器的設計就顯得尤為重要。通過研究分析很多行業的機械連接器，如車鉤緩沖裝置、軸轂復合連接裝置等，并在研究MOB連接器的基礎上，從第一代簡單鉸接式連接器發展到第五代新型柔性連接器[1-2]中得到啟發，根據類似型模塊的連接器雛形，主要考慮強度，初步設計了適用于半潛式超大型浮式結構物的一款柔性連接器——新型球狀連接器。

1　連接器的初步設計

1.1正極

正極分正極載體及中軸(見圖1)，除正極中軸以外的正極部分都為正極載體，而正極載體中最為重要的部分為其載體的中后部分(見圖2)，很多重要的保證強度的構件都在此處。

圖1　連接器正極中軸

圖2　連接器正極載體中后部分

正極載體中后方的液壓裝置用來控制中軸的進度，與正極載體中的連接器連接感應，而連接器安裝在漏斗狀縮口的內側，負責把中軸的受力變化情況的信號傳感至液壓裝置。當因為浮體兩模塊相對運動過大使得中軸某點受力過大時，液壓裝置就可以做出調整進度的反饋，避免中軸的損害斷裂。在漏斗狀縮口的內側，裝有橡膠，防止球頭和縮口的摩擦損壞。正極中軸采用兩個橢球體做為球頭，在連接時的快捷程度上比其他如立方體等的幾何體有很大優勢，而又比同徑球體在成本和重量上有很大優勢。

基于美國Brown&Root關于MOB連接器的研究[3]，設計正極空腔直徑為4.03 m，擴張處最大直徑8 m；正極中軸外直徑4 m，內直徑2 m，長度12 m(不含球頭)，球頭橢球的長軸長為4 m，短軸長為2.67 m。設計中軸板厚0.15 m，縮口厚度0.15 m,正極載體其他部分的厚度0.05 m。

1.2負極

負極結構(見圖3)外側是一個開放性接口，方便球頭在一定范圍內都能撞入負極內部，而在接口邊緣與內部結構連接的范圍內，環內部開口鋪設橡膠，防止球頭安裝撞擊時的強大沖力損壞結構，而裝設橡膠以后可能導致球頭的橫向運動受阻，故在橡膠層表面的中間位置再鋪設一層薄鐵片做連接軌道，方便球頭順利的橫向移動以便撞入連接口。

圖3　連接器主要負極結構

在負極內部空腔前，有一個彈性卡簧見圖4，可以在連接器連接初成的時候給予一定的緩沖作用，卡簧內側也安裝有聯接器，反映受力變化的信號給負極后方的液壓裝置，配合正極中的整個感應系統協調正極中軸的進度，防止應力集中或者其他惡性損壞情況發生。

圖4　連接器負極彈性卡簧結構

同樣基于MOB研究，設計橡膠層鋪設范圍直徑8 m，連接軌道占據橡膠層的中間，寬同球頭長軸長度4 m，負極內部開口及空腔直徑為4.03 m；初步設計橡膠層厚度0.05 m，連接軌道鐵片厚度為0.01 m，彈性卡簧的厚度為0.15 m。其余負極的其他裝置的厚度均為0.05 m。

1.3連接器的連接過程

將正負極分別安裝在兩個超大浮式結構物模塊中，當定位完成后，連接過程便開始了。首先，正極處的液壓裝置推動正極中軸向前運動，這時，隨著正極軸的運動，縮口處會隨著感應到的壓力的減小逐漸縮小，直至卡住后部球頭；在中軸的移動過程中，前球頭則慢慢伸出正極載體，直到撞上負極卡簧時，負極的液壓裝置開始工作，控制卡簧放松，使得連接器球頭能夠順利進入空腔。這時，卡簧上的連接器可以感應到壓力慢慢減小，卡簧則漸漸收緊，直至順利卡住前部球頭，由此開始，正極縮口上的連接器和負極卡簧上的連接器同時進入正常工作常態，即在應力過大情況下會傳感至液壓裝置，調整正極中軸的進度。至此，整個連接器連接過程結束，連接過程見圖5～7。

圖5　連接器連接前

圖6　連接器連接過程中

圖7　連接器連接后

2　連接器的靜力強度校核

兩個模塊的相對運動決定了連接器的受力。兩個大型浮體一共有6自由度的相對運動，見圖8。分別是相對橫向運動、相對縱向運動、相對垂向運動、相對偏移、相對扭轉和后一個大型浮體相對于前一個大浮的相對前傾[4]。

圖8　超大型浮式結構物各自由度相對運動

模塊之間的運動對連接器的正極軸影響最大，在設計的連接器中，正極和負極球頭和球桿連接處比較脆弱，但是縮口和卡簧內部的連接器可以在一定范圍內調整進度進行保護。所以，相對來說，反而是伸出正極和正極結構相交的部分最危險。所以，靜力計算時對連接器中軸的模型進行適當簡化，去掉球頭，只研究應力較為集中的地方，即光軸上距負極較近的球頭1 m處，也就是連接完成后與正極中軸與正極載體的交界處。根據D.V.Ramsamooj，T.A. Shugar關于MOB連接器的研究及試驗和理論證明，此處引起疲勞裂紋的力可以綜合成對環連接器軸的剪切力[5]，初步概念設計需要達到的負荷是每個連接器120 MN，這個載荷是設計載荷或最大工作載荷，基于安全系數1.5，而相對的屈服極限為448 MPa。 正極中軸連接后剪切力最大位置如圖9所示，其剖面剪切力如圖10所示。要滿足其強度和疲勞方面的要求，應滿足以下要求：能承受剪切力：120 MN，極限剪應力不大于552 MPa[6]。

圖9　連接后剪切力最大的位置

圖10　剪切力剖面圖

對于最簡單的等斷面圓桿，斷面的最大剪應力為

(1)

式中：M——轉矩，M=TD；

τ——剪切力；

通過給出條件可以求出最大轉矩M，最大轉矩所在截面稱為危險截面

(2)

式中:[τ]——軸材料的許用切應力。

不同材料的許用切應力[τ]各不相同，通常由扭轉試驗測得各種材料的轉轉極限應力τu，并除以適當的安全因數n得到，即

(3)

根據公式，初步得出剪切力為78.4 MPa，遠小于屈服極限552 MPa。最大應力的理論分析值為118.3 MPa，取安全系數為1.5，則應力為177.45 MPa，遠小于極限屈服應力448 MPa。這表明結構滿足設計規范，但由于還需要考慮其他例如連接時動態碰撞等實際問題，故不宜貿然減小尺寸。

4　結論

新型球狀連接器摒棄了傳統應用于超大型浮式結構物的機械連接器的雛形，結構相較于原來簡易機械連接器復雜了很多，但是其連接過程極其簡單。同時，由于此款連接器結構中有多處液壓裝置、連接傳感裝置和防撞橡膠的運用，使得連接器的強度在一定程度上得到了保證。此球狀連接器屬于前期概念設計，僅從理論粗略分析其合理性，后期還需進行靜力仿真計算和動態的碰撞分析，結合工程的具體應用，進一步分析。

[1] 王志軍,舒志，李潤培，等.海洋浮式結構物概念設計的關鍵技術問題[J].海洋工程,2001.

[2]余瀾,李潤培,舒志.移動式海上基地連接器研究現狀與發展[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] 崔維成,楊建民,吳有生,等.水彈性理論及其在超大型浮式結構物上的應用[M].上海：上海交通大學出版社,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] 陸鑫森.高等結構動力學[M].上海：上海交通大學出版社,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年山東省民辦本科高校優勢特色專業“船舶與海洋工程”支持計劃階段性研究成果；校級科研項目(2013dxkj01)

田玉芹(1978-)，女，學士，副教授

U674.38;P752

A

1671-7953(2016)01-0165-04

研究方向:船體結構設計與制造

E-mail:tyqhjl@163.com