基于ANSYS的伸縮式過橋橋體結構的有限元分析

2017-08-16 09:30:18李利斌徐金帥

福建質量管理 2017年1期

關鍵詞：有限元支架活動

李利斌徐金帥

(大連理工大學運載工程與力學學部遼寧大連 116000)

基于ANSYS的伸縮式過橋橋體結構的有限元分析

李利斌徐金帥

(大連理工大學運載工程與力學學部遼寧大連 116000)

伸縮式過橋的作用是作為海洋平臺供應船與海洋平臺之間的連接通道，供人員通行，橋體是過橋結構的核心部分。本文利用ANSYS對過橋橋體進行有限元靜力分析，驗證了結構滿足使用要求，為過橋橋體的設計提供了依據。

ANSYS；過橋；橋體；有限元；靜力分析

一、引言

全回轉伸縮式過橋裝置作為海洋平臺供應船通向海洋平臺的一種通行方式，比直升飛機平臺更加實用方便，因而越來越得到更多船東的青睞。

橋體是過橋裝置的實現整機功能的核心部分，其一端連接過橋裝置的塔身部分，另一端通過著陸裝置搭接在海洋平臺上，形成一個供人員出入的通道。

目前國內對過橋橋體的計算研究較少，CCS中沒有關于橋體的設計規范，ABS也是在2016年8月才公布了有關過橋的規范。本文以PROE為平臺，建立伸縮式過橋橋體的三維實體模型，參照ABS中關于過橋的規范，用ANSYS對橋體進行有限元分析，指導設計，優化結構，同時也為今后此類產品的設計和研究提供了計算依據。

二、過橋橋體結構

過橋的結構如圖1所示。過橋橋體由固定過橋和活動過橋組成，一端安裝在塔身上，另一端通過所連接的著陸裝置搭接到海洋平臺上，通過變幅油缸的伸縮運動實現俯仰動作。固定過橋和活動過橋上都分別裝有滾輪和導軌，通過伸縮裝置的驅動，活動過橋可以在固定過橋內伸縮移動。固定過橋和活動過橋的主體均由方形鋁管焊接而成，同時焊接鋁板以做加強或與其它部件連接之用。滾輪支架、導軌及伸縮裝置支架的材料均用鋼材Q345D。

1—塔身；2—固定過橋；3—伸縮裝置；4—活動過橋；5—著陸裝置；6—變幅油缸

圖1 過橋

三、過橋的作業工況

本過橋屬于限制通行人數類型，每次只允許通過一人。作業海況四級。

根據ABS規范，過橋共有三種工況：搭接工況、懸臂工況和緊急提升工況，限于篇幅，本文僅對懸臂工況進行分析，即：著陸裝置離地，變幅油缸支撐，橋體長度L=24m，過橋橋體自由端作用力F=2.4kN。

四、過橋橋體有限元模型的建立

本文采用了模塊化的建模方法，即分別建立固定過橋、活動過橋、滾輪支架的有限元模型，再將其組裝起來，其中伸縮裝置支架分別建立在固定過橋和活動過橋上，具體如下：

1.采用實體建模(SOLID45單元)的方法，分別建立固定過橋、活動過橋和滾輪支架的有限元模型。

在固定過橋和活動過橋有限元模型中，需要對鋁材和鋼材賦予不同的材料屬性。在各模塊的有限元模型內部，無論何種材料，不同零部件之間均通過共節點連接。

由于在各種載荷中，橋體的自重影響最大，而有限元模型與設計重量可能有較大的差別，所以需要檢查并調整各模塊有限元模型的重量，即根據設計重量與有限元模型的重量之比，調整各模塊的材料屬性的密度。

2.根據工況參數(橋體的工作仰角α、橋體的工作長度L)組裝和連接各模塊的有限元模型。固定過橋和活動過橋之間通過滾輪連接，而各滾輪與固定過橋、活動過橋、滾輪支架之間的連接以及滾輪支架與固定過橋和活動過橋之間的連接都采用銷軸連接。這里不將銷軸接觸和滾輪接觸作為研究對象，同時為了減小有限元建模難度和提高運算速度，對這兩種接觸進行了簡化處理。其中將銷軸接觸簡化成剛性約束，具體做法是在銷軸中心和銷孔中心分別建立mass21單元，設定其各實常數均為0，將銷孔中心與銷孔周圈節點建立剛性區域，再將銷孔中心與銷建立相應的剛性約束(放開繞銷軸軸向轉動的自由度)。對于滾輪接觸，可將其簡化成單向受壓的link180單元。固定過橋和活動過橋上各自的伸縮裝置支架部分，在其連接處建立剛性區域。

3.用link180單元建立油缸的有限元模型。

4.施加約束。約束固定過橋與塔身連接銷軸的除繞軸向旋轉外的其它5個自由度，并約束油缸與塔身連接處的三個平穩自由度。

5.施加載荷。過橋橋體的載荷組合除了ABS規范中規定的集中載荷外，還包括橋體的自重載荷和風載。其中自重載荷要考慮到船舶橫傾角、縱傾角、橫搖角、縱搖角、垂向加速度和橫向加速度的影響，將其體現在重力加速度的各個分量中。風載均勻作用橋體迎風的變幅平面的各個節點上。最終建立的橋體有限元模型如圖2所示。