軟管安裝管卡的夾持力分析與試驗驗證

謝俊++鄧相紅+岳劍鋒+林臻裕+陳達勝

摘要： 為縮短軟管管卡結構設計周期并降低成本，建立軟管及管卡的三維模型和有限元模型，用Abaqus求解管卡夾持力與軟管和管卡之間相對位移的關系.抽拉試驗表明仿真分析結果與試驗結果吻合較好.該仿真分析方法可以為今后的管卡設計提供參考.

關鍵詞：

軟管； 管卡； 夾持力； 相對位移； 抽拉試驗； 有限元； 設計周期

中圖分類號： TE53 文獻標志碼： B

0 引 言

海纜、臍帶纜和軟管是海上平臺與平臺，平臺與FPSO之間電力、控制信號、通信及油氣等傳遞的重要載體.鋪設開始前和結束后，需要分別將其兩端抽拉上平臺進行永久錨固，但是在施工過程中，通常采用管卡對其進行臨時錨固以完成抽拉工作和保證永久錨固工作的順利進行.[1]

在實際工程中，根據(jù)海纜、臍帶纜和軟管等的外形尺寸，設計不同結構和尺寸的管卡.一般做法是：根據(jù)需要提供的抽拉力大小，基于庫侖摩擦理論初步估算所需管卡夾持力的大小；參照以往管卡結構形式，完成管卡初步設計；然后，通過場地試驗，觀察管卡夾持效果，修改管卡結構；經(jīng)過多次試驗及修改結構，最終確定管卡結構尺寸.這種基于庫侖摩擦理論的估算方法，無法考慮構件之間的相對變形，因而無法實現(xiàn)對管卡夾持力的準確估計，在管卡設計過程中需要投入大量的人力和物力，產(chǎn)生較高的資金和時間成本.本文通過建立管卡和軟管有限元模型并求解計算，然后與試驗進行對比分析，驗證計算方法的準確性，為管卡設計提供有效的技術指導，減少試驗次數(shù)，節(jié)約成本.

1 管卡結構設計

根據(jù)管卡的抱緊作用要求，利用三維設計軟件Pro/E建模[2]，設計的管卡結構見圖1.由2個半圓板通過螺栓抱緊軟管，在半圓板的內(nèi)表面貼一層膠皮，以保護軟管并增大摩擦因數(shù).

2 有限元模型和邊界條件

2.1 管卡和軟管有限元建模

將三維設計軟件建立的實體模型導入有限元軟件HyperMesh中進行前處理[3]，選擇的模塊為Abaqus/Standard3D.對管卡和軟管劃分網(wǎng)格，見圖2.模型中單元尺寸約為10 mm，共包含278 790個節(jié)點，194 800個單元.此模型分析類型為接觸分析，所有單元均采用六面體單元，單元類型為非協(xié)調單元C3D8I.非協(xié)調單元C3D8I是常規(guī)六面體單元C3D8修改而來的，具有較好的彎曲行為，能夠消除剪應力.由于非協(xié)調效應，C3D8I單元內(nèi)部增加額外的自由度，使其能消除在彎曲中因為泊松效應產(chǎn)生的僵硬.[4]管卡（除膠皮和軟管外）的材質為鋼Q235B，屈服強度為235 MPa.[5-6]

2.2 螺栓連接處理

管卡中共有22處螺栓連接，采用connectors中的bolt單元模擬螺栓連接，其主要思想是用2組剛性單元COUP_KIN分別連接2個被連接件的內(nèi)孔節(jié)點，然后再用梁單元連接2組COUP_KIN的中心節(jié)點，即B31單元.[7]

2.3 接觸的追蹤方式和處理

2.3.1 接觸的追蹤方式

Abaqus/Standard提供2種接觸的追蹤方式計算接觸表面之間的相對滑移：有限滑移和小滑移.

（1）有限滑移.

有限滑移的節(jié)點位置更新以主面的真實形狀來反映.當接觸約束產(chǎn)生時，從面節(jié)點將被約束在沿主面形狀的路徑上滑移，無論其方向與形狀是否改變，允許相互接觸的部件大變形、轉動和大位移滑動.[8]

（2）小滑移.

小滑移追蹤方式示意見圖4.假定從面節(jié)點的位移相對于主面的局部曲率而言比較小，采用主面上相對應于從面節(jié)點的近似平面代表主面來更新節(jié)點位置.每個從面節(jié)點與自己的滑移面接觸相互作用，數(shù)值計算更有效，但使用上有局限性，必須確定切向位移足夠小才可滿足其假設.小滑移方式只適用于接觸對定義.

2.3.2 管卡與軟管接觸處理

在螺栓預緊力的作用下，管卡壓緊軟管；在拉力作用下，管卡與軟管產(chǎn)生摩擦力，用于抵抗拉力的作用.

管卡與軟管之間存在相對滑移，在其間建立接觸對，形式設置為面面接觸，滑移類型為有限滑移，摩擦因數(shù)取0.1[9].

2.4 邊界條件和載荷施加

在HyperMesh中處理完網(wǎng)格、材料屬性、螺栓連接及接觸后，再導入到Abaqus中定義邊界條件和施加載荷.

在軟管一端進行約束，約束6個自由度：U1，U2，U3，UR1，UR2，UR3，見圖5.

計算模型的載荷為螺栓預緊力和拖拉力.在求解過程中，拖拉力可能超過管卡與軟管之間的摩擦力，產(chǎn)生滑移，采用隱式求解方法，進行非線性動態(tài)求解.

拖拉力的施加分3步進行，第一步載荷大小為1.2×104 kg，第二步載荷大小為1.5×104 kg，第三步載荷大小為2.0×104 kg，均為斜坡加載.

在拖拉力載荷施加之前，先加載螺栓預緊力，通過改變螺栓預緊力大小實現(xiàn).在拖拉力施加的載荷步中，預緊力的施加通過保持螺栓長度不發(fā)生變化來實現(xiàn)，符合螺栓的實際受力情況.

螺栓預緊力大小根據(jù)公式T=K×F×d[10]求得，其中K為擰緊力矩因數(shù)，F(xiàn)為螺栓預緊力，d為螺紋的公稱直徑，T為扭矩.

為更好地與試驗拖拉力的大小和方向相符，通過剛性單元COUP_KIN連接拖拉板孔上的節(jié)點，在COUP_KIN單元的主節(jié)點上施加拖拉力（見圖5），施加的預緊力大小與拖拉力大小見表1.

在載荷步中設置初始載荷為0.01 N，使得接觸緩慢進行，以便求解收斂.設置好邊界條件和載荷后，使用Abaqus求解器進行求解計算.

3 模擬抽拉試驗

現(xiàn)場準備好試驗所需軟管、管卡、螺栓、導鏈、吊帶、卸扣和測力計等.在試驗中，通過螺栓預緊將2個管卡抱緊軟管，其中一個管卡經(jīng)由吊帶和卸扣固定在地面吊耳結構上（見圖6），另一個管卡通過吊帶和卸扣與測力計相連，再由導鏈固定在某處結構上.試驗前，在管卡與軟管接觸端部噴上白漆，方便后期測量管卡與軟管的滑動情況.在試驗中，通過調節(jié)導鏈長度使得吊帶張緊，待測力計讀數(shù)穩(wěn)定一段時間后，讀取其數(shù)值；同時，測量此時管卡與軟管的相對滑動情況.螺栓的直徑為30 mm，使用扭矩扳手進行擰緊，設計安裝扭矩為150 N·m.試驗用的拖拉力分別為1.2×104 kg，1.5×104 kg和1.8×104 kg.

4 結果分析和試驗對比

4.1 應力結果分析

加載螺栓預緊力及最大拖拉力的應力結果見圖7，最大等效應力分別出現(xiàn)在螺栓附近和加載區(qū)附近，分別為34.7和42.4 MPa.最大等效應力均小于屈服強度，滿足強度設計要求.

4.2 計算分析和試驗變形結果分析

在試驗中，當導鏈張緊力達到一定程度的時候，軟管、管卡和索具等變形，系統(tǒng)出現(xiàn)松弛，測力計讀數(shù)緩慢減小.在試驗操作時，在測力計讀數(shù)減小的同時，人工張緊導鏈，使得測力計達到試驗的數(shù)值，盡量減小試驗誤差.試驗測量的距離為沿軟管軸向方向軟管與管卡的相對滑移距離，試驗結果見表2.

表2中：當拖拉力為1.2×104和1.5×104 kg時，未出現(xiàn)相對滑移；隨著拖拉力的增大，在拖拉力為1.8×104 kg時，產(chǎn)生的相對滑移值為15 mm.由試驗結果可以判斷，開始產(chǎn)生相對滑移的拖拉力為1.5×104～1.8×104 kg，故取此管卡安全拖拉力為1.5×104 kg.

為使計算結果與試驗具有對比性，取計算結果中沿軟管方向軟管和管卡的位移相減，即為軟管與管卡的相對滑動距離.計算結果見圖8.當時間到3.25 s時，相對滑移值開始急速增長，說明此時拉力剛好克服軟管與管卡之間的摩擦力.根據(jù)載荷的加載曲線，此時對應的拖拉力載荷為159 kN，即1.625×104 kg.

從試驗結果中得知，軟管與管卡產(chǎn)生相對滑動的臨界拖拉力為1.5×104～1.8×104 kg，計算結果為1.625×104 kg，由于試驗的摩擦因數(shù)及操作與計算工況存在一定誤差，因此可認為在誤差允許范圍內(nèi)，即計算結果與試驗結果吻合.在試驗中，拖拉力為1.8×104 kg時，相對位移為15 mm，而計算結果遠大于15 mm.在試驗中，當導鏈張緊到1.8×104 kg時，軟管與管卡變形，數(shù)值瞬間減小，而計算中則是維持恒定的力，故數(shù)值相差較大.

從有限元分析與試驗的結果可以看出，管卡的結構強度滿足設計要求；同時，在誤差范圍內(nèi)，計算結果與試驗結果基本吻合，達到數(shù)值模擬試驗的目的，為今后的管卡設計提供技術指導.

5 結 論

本文以實際工程項目中的管卡與軟管為例，進行拉力試驗，測量滑移情況；同時，應用有限元軟件進行數(shù)值計算分析，與試驗進行對比，結論如下.

（1）運用HyperMesh對管卡及軟管建立有限元模型，得到高質量的六面體網(wǎng)格，同時，使用bolt連接單元，使得模型真實合理，計算精度比較高.

（2）Abaqus在求解接觸問題上具有一定優(yōu)勢，并可以施加螺栓預緊力，可以滿足本文所描述工程問題的求解要求.

（3）對比有限元分析結果與試驗結果，認為計算結果在誤差范圍內(nèi)，與試驗吻合度較高.計算與試驗結果相互驗證，使計算結果更加可靠.

（4）本文所描述的有限元法可用于此類管卡的結構設計，節(jié)約試驗成本，實現(xiàn)有限元分析驅動設計的思想.

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