石油平台安装用调平器的钩子优化分析.pdf

第 9期 2 0 1 0年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 8 9 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 9 0 1 8 9 0 2 石油平 台安装用调平器的钩子优化分析 刘贺平 张立勋 罗阿妮 哈尔滨工程大学 机电学院 ， 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 Op t i mi z a t i o n o f h o o k i n l e v e l i n g t o o l wh i c h i s u s e d i n i n s t a l l i n g o i l p l a t f o r m L I U He pi n g， ZHANG Li - x u n， LUO A- ni S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l E n g ． ， Ha r b i n En g i n e e r i n g Un i v e r s i t y ， Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ； 【 摘 要】 调平器是海上石油平台安装时调节平台水平度的机具， 是石油平台 安装时必要的机具。根据 调平器的三维造型图， 对调平器的工作原理和结构进行了叙述， 证明了此设计能够方便的完成调平器的安装 ；和拆卸， 满足其工作需 要。 调平器的钩子与石油平台直 接连接， 其受力分析是必要的。 这里采用A n s y s 软件对 j钩子进 行应力 分析， 由于 局部应力过大， 因而 采用 优化分 析方法 对钩子结构 进行了 优化分 析， 获 得了 一组使 钩子受力合理的结构参数。此设计过程中融入了三维造型和有限元等知识， 为类似产品设计提供参考。 ； 关键词 调平器 ； 石油平台； 钩子 ； 【 A b s t r a c t 】 L e v e l i n g t o o l i s Ⅱn e c e s s a r y t o o l w h i c h le v e ls o i l p l a tf o r m i n s t l i n g it ． A c c o r d i n g t o ；t h r e e - d i me n s i o n g r a p h o fl e v e l i n g t o o l ， i t s w o r k i n g s c h e m e a n d s t r u c t u r e a r e e x p l a i n e d ， w h i c h i m p r o v e s t h a t； t h e s t r u c t u r e c a n b e s a f e l y i n s t a n d d i s a s s e mb l e d a n d s at i s f y t h e w o r k r e q u i r e me n t ． T h e h o o k of l e v e l 一 t o o l i s d i r e c t ly j o i n e d w it h o i l p l at f o r m a n d a n a y s i s of o r c e o n i t i s n e c e s s ar y ． T h e s o f t ofA n s y s is u s e d； t o a n a l y s e t h e s t r e s s ofh o o k ． B e c a u s e ofl arg e p ar t i al s t r e s s ， o p t i m i z at i o n a n al y s i s ofh o o k i s d o n e a n d o b 一 t a i n s 0 g r o u p of r e a s o n a b l e s t r u c t u r e p a r a m e t e r ． Ke y w o r d s L e v e I i n g t o o l ； Oi l p l a t f o r m； Ho o k ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ - ●⋯ ●⋯ - ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ - ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯- ●⋯ ●⋯ ●⋯ ● 中图分类号 T H1 2 文献标识码 A 1 引言 由于陆地资源逐渐匮乏 ， 导致海洋资源开发不断增多。我国 对海洋的开发主要集中在海洋石油的开采。从世界范围来看， 海 洋石油开采技术较陆地石油要落后得多， 我国更是如此， 目前我 国用于海洋石油开采的机具 自动化程度很低， 许多工作都由手工 完成。调平器是在石油平台安装之前调整其水平度的机具， 是石 油平 台安装 时所需 的必要机具 。目前 ， 此种机具只有 国外两家公 司生产， 而且价格非常昂贵。我国海洋石油工程中使用此类机具 都是从国外购买或租赁的， 由此花费丫大笔费用。 因此， 为了促进 我国海洋石油资源的开发， 必须研发海洋石油开采中自动化程度 高的作业机具。所以， 研制调平器是很必要的。 2调平器的工作原理和结构 调平器是在石油平 台安装时调节石油平台水平度的机具 。 海 上石油平台安装时， 首先要在海底打入一些导管桩， 而后把石油 平台固定在这些导管桩上。 调平器就是在石油平台固定之前调整 石油平台水平度的机具， 它套在导管桩的顶部， 而其底部的钩子 钩住平台底部， 通过液压力来将石油平台提升到设计要求水平度。 调平器由三部分组成 导管桩套、 导管架钩吊系统和液压拉 伸系统。如图 1 所示， 为调平器整体三维造型图。1 为导管桩套， 它 由外套和内套组成 ，外套一方 面为导管套与液压缸 的支架 ， 一 方面是负责把调平器套在导管桩上。 内套是用于调节导管桩顶部 平台水平度时， 此系统负责钩住平台底部。 图 1凋平器三维造型图 1 ．导管桩套 2 吊 装架 3 ．导杆 4导向套 5 ．液压缸 6 标尺 7 吊 钩架 8 吊钩 安装调平器时， 首先根据测量的各导管桩的高度情况， 启动 调平器的液压缸， 使调平器整体伸长到要求的长度， 同时吊钩 8 绕着吊钩架 7上的铰支点旋转， 向7的外部伸出。然后把调平器 吊起， 使其导管桩套 1 套在相应的导管桩上。调平器放置在导管 桩顶部后， 把石油平台吊起， 使其相应部位的套管套在调平器上， 套管上的裙被调平器的钩子钩住。这样， 就可以测量石油平台的 水平度， 如果达不到要求， 就可以调节相应调平器的长度来调整。 石油平台调平后， 平台套管上的夹持器夹住导管桩， 这时就 需要卸调平器。 卸调平器工作中最关键的是脱钩， 平台脱钩时， 操 作船上的吊向上拉吊装架 2 ， 2 与导杆 3 是固定的， 3与吊钩 8也 是间接相连的 ， 由于 吊钩 8与吊钩架 7也是铰接 的， 而 7与液压 缸 5相连而此 时固定不动 ， 因此 吊钩 8向 7的内部转动 ， 完成脱 钩。 操作船上的吊继续上升 ， 调平器就会脱离导管桩而被 吊起 ， 卸 与石油平台底部距离。2 , 3 、 7 、 8 组成了导管架钩吊系统， 在调节 凋平器的工作完成。 女 来稿 日 期 2 0 0 9 1 1 - 2 6 ★基金项目 高等学校博士学科点专项科研基金 2 0 0 7 0 2 1 7 0 1 6 ， 哈尔滨市科技创新人才研究专项 资金项 目 2 0 0 8 R F Q X G 0 3 2 l 9 0 刘贺平等 石油平台安装用调平器的钩子优化分析 第 9 期 3钩子的分析 钩子是调平器中首丸与石油平 接触的零件， 相对其它零部 件， 钩子的受力面积小 ， 因此其所受的应 会很大， 必须进行受力 后的应力和变形的分析。 这里应用有限元法对钩子受力后的应力 应变进行分析 ， 选择的软件为 A N S Y S 。白允对钩子进行建模 ， 由 于 A N S Y S建模的能力较弱 ， 此此钩子 P J ／ e r { 1 完成 1r 建模 ， 再把此模型导入到 A N S Y S中 后对模型进行结构参数的设定 和网格划分 ， 如图 2所示 ， 为化分 格后的钩子模型。 图 2 钩子 的 网格 划分 对钩子设置约束和载荷， 进i i - 钩子受力的位移和应力的仿真 分析。 如图3 所示， 为钩子受力后各节点的位移云罔， 钩子的最大 位移发生在钩子端部 红色所在的区域 ， 最大位移为 0 ．6 3 mm 。 此 位移量很小， 可以忽略， 因此钩子在刚度上满足要求如图4所 示 ， 为钩子受力后各节点 的应力云图， 最大应 力发生在钩子悬臂 结构与摹体 的连接处， 最大 值为 4 2 2 MP a 。 钩子所受的最大应 力较大， 很少材料可以达Y - U C 限度， 这样就需要在结构尺寸方面 进行修正， 因此需要对钩子在强度方而进行修整。 图 3钩子的各节点位移云图 图4钩子各节点的应力云图 4钩子的优化设计 由于只有钩子的悬臂部分有尺寸限制 ，其他部分无空间限 制 ， 因此这里着重对钩子 的悬臂结构尺寸进行分析。由图可以看 出， 悬臂结构的底部有一定的弧度， 而且这个圆弧是由几段圆弧 拼接成的 ， 如果优化设计按照实际情况进行 ， 就会给建模和运算 带来很多麻烦 ， 这里悬臂梁 的长度方 向是由限制的 ， 因此根据实 际情况悬臂梁长度取定值， 任长度方向 分成几等份， 把悬臂梁 高度和宽度作为变量， 而后n J - 以根据悬臂梁在几个位置处的高度 取值来设i f ‘梁的底部的形状尺寸。目标值为悬臂梁的体积 ， 悬臂 梁上表面几个点处的应力作为状态变量作最大值的限制。 根据这 样的分析进行优化分析， 首先建 优化的数学模型 Mi n x -- - E B， Hl ， H2 ， H 3 ， H4 ] s t ． 1 4 0 mm B 20 0mm 58 mm≤ H． 1 0 0mm 7 0mm-- H2 l 3 0 mm 9 0rnm H3 1 6 0 mm 1 2 2ram_ ／ t 4 20 0 ram Io “ I 1 5 0 MP a i 1 ， 2 ， 3， 4 式中； ／ 一体积函数； B 一钩子的宽度； 日。 一钩子旋臂结构的自 由端高度； H 、 一钩子旋臂中部两个位置的高度； 日 一钩子旋臂 结构与主体连接位置的高度； 一在钩子旋臂结构的不同位置的 应力。 根据具体的尺寸和材料， 设置了他们的上下限。 其中B、 H 、 H 、 、 一设计变量； 一状态变量； ， X 一目标函数。 表 1最优值 名称代号 根据上面的模型， 利用 A n s y s 软件， 采取随机搜索法进行钩 子悬臂部分的优化 ， 获得 的最优值如表 l 所示 为 了表达清楚考 虑， 这里对钩子的旋臂高度只取了四个位置的值， 应力值也只取 了四个位置， 当然位置取得越多， 结果就会越精确。 。 优化后各点 根据第三强度理论获得的应力值都在许用范围内， 而且各尺寸变 量也都在空问许用范围内， 这样就可以根据此优化结果对悬臂尺 寸进行修正 ， 如图 5所示 ， 为经过结构尺寸优化后钩子悬臂结构 的仿真图形， 这里悬臂的底部各段是直线， 可以根据各点的高度 尺寸利用圆弧进行拟合 ， 进一步对钩子进行尺寸修正。 图 5修改后的钩子旋臂结构 如图6 所示， 为在优化分析时叠代过程中H 和H 的数值变 化曲线， 这两个没计变量在限定范围内变化， 通过各变量间不同组合 方式最终获得最优目标值。由叠代曲线可知， 在优化过程中选择叠代 Ⅲ m m Ⅲ m 一 一 珊 ～ 一 ～ 口 瓜 第 9期 2 0 1 0年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 91 文章编号 1 0 0 1 ～ 3 9 9 7 2 0 1 0 0 9 0 1 9 1 0 2 汽车稳定杆的疲劳寿命分析 李红艳刚宪约 山东理工大学 交通与车辆工程学院， 淄博 2 5 5 0 9 1 F a t i g u e a n a l y s i s o n t h e a u t o mo b i l e s t a b I l i z e r b a r LI Ho ng y a n， GANG Xi a n y ue De p a r t me n t o f T r a n s p o r t E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z i b o 2 5 5 0 9 1 ， C h i n a ●◇● ◇。 ◇● ◇。 ●◇●◇● ●◇。◇●◇。◇●◇● ● ◇● ◇●◇●◇‘◇●◇。◇● ◇。 ◇●◇。◇‘◇‘ 。 ◇● ◇。◇●◇。 ●◇● ‘ 0‘ 【 摘要】 采用A N S Y S 软件建立了考虑橡胶衬套、 定位环的汽车稳定杆有限元模型， 并对其强度和 a 疲劳寿命进行了有限元分析。通过对稳定杆进行虚拟疲劳仿真， 从而对其疲劳寿命进行分析， 为稳定杆的 ◇ 优化设计提供依据 。 关键词 稳定杆 ； 强度 寿命 【 A b s t r a c t 】 T h e fi n i t e e le m e n t m o d e l f o r t h e s t a b i l iz e r b a r of a u t o m o b i l e is e s t abl is h e d u s i n g s w a r e A N S Y S ， w h i c h c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t s ofb o t h s p r i n g b u s h a n d l o c a t i n g r i n g ． T h e s t r e n g t h a n d f a t i g u e l if e a r e 5 r e s e ar c h e d u s i n g t h e fi n i t e e l e m e n t m e t h o cL W i t h v i r t u a l f a t i g u e s i m u l at iv e a n a l y s is ， t h e in f o r m at io n n o t o n ly 2 ◇c a n p r e d i c t t h e f a t i g u e 2 ， b u t a l s o t h e d a n g e r o u s p o s i t i o n e t c ， w h i c h i s u s e f u l f o r f u r t h e r o p t i mi z at i o n d e s i g n ． n 2 K e y w o r d s s t a b i l i z e 卜b a r ； s t r e n g h ； F a t i g u e l i f e ●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇●◇● ●◇● ●◇● ●◇●◇●◇● ● ● ● 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A L 1日 【J吾 稳定杆是汽车悬架中的一种辅助弹性元件 ， 它的作用是防止 车身在转弯时发生过大的横向侧倾， 防止汽车横向倾翻和改善平 顺性。 据统计 ， 在路况差急转弯时， 装有稳定杆的车辆翻车概率可 降低 6 0 ～ 8 0 ％， 因此稳定杆的设计对于提高了汽车行驶过程的 平顺性具有重要意义。 汽车稳定杆的设计与校核一直是人们研究 的重点 。有限元作为一种有效的数值计算方法， 其在稳定杆的 优化设计过程的地位也越来越重要。 稳定杆模型的精确与否直接 关系到仿真结果的精确程度，三维的C A D软件为数模的精确建 模提供了可能 l。 稳定杆的有限元分析可以快速确定稳定杆的薄 弱部位， 判断机械产品的可靠性和疲劳寿命等情况 。 本文主要针对某型号稳定杆的强度和疲劳寿命进行有限元 分析。由于在恒定振幅载荷情况下处理疲劳时， 只能包含绑定和 不分离的线性接触 ， 尽管无摩擦 、 有摩擦和粗糙的非线性接触也 能够包括在内， 但可能不再满足比例载荷的要求， 如果发生分离， 载荷方向或大小的改变可能导致主应力轴向发生改变。 因此本文 中对于橡胶衬套、 固定支架以及定位环和稳定杆之间接触按线性 接触关系处理， 分析结果来表明与实际产品的破坏特征一致。 2静力分析 2 ． 1几何模型建立 针对某具体型号的稳定杆结构， 其外径为 1 8 mm， 长 4 8 0 ra m， 根据零件的具体几何参数， 在 U G软件中建立起几何模型。考虑 到稳定杆的工作特点， 这里取一半对称结构来计算， 在 U G软件 中建立起包括稳定杆、 橡胶衬套、 定位环以及安装支架四部分的 组装结构。利用 A N S Y S的数据接口， 精确地将 C A D平台上生成 的几何模型导入 A N S Y S软件 ， 建好的稳定杆模型 ， 如图 1 所示。 --k来稿 日期 2 0 0 9 1 1 - 2 0 - A - 基金项 目 山东省 自然科学基金 Y 2 0 O 7 A 3 3 ， t l l 东省 自然科学基金 Q 2 0 0 6 F 0 4 一⋯tl ⋯⋯l⋯⋯～一I～～一I⋯⋯l⋯⋯一’⋯1 0ll ⋯⋯⋯’0 ‘l ‘⋯ 】 H 次数越多， 各变量的不同值的组合方式就越多， 结果也会更加优化。 设计要求 ， 这样就为调平器的产品化打下基础。 目前， 设计中所融 吕 昌 缸 叵 i ＼ i ． 1 。 n j i I I l 合 的 知识 越 来 越 多 ， 三 维 造 型 和有 I I V ⋯ mf I l 1 l 蝴f I f 设计的可靠度大大增加， 此调平器的 I U l I I 1 k ’ I } 1 L 1 ＼ I 【 计提供一些参考。 H 参考文献 I l l 川 f I I I } i ． ． ． ＼1 “ n 1 刘贺平 ， 罗阿妮． 石油平台安装用调平器I “ T ” r f r U ’ 、 v V f I ” V V 2 杨可桢 ，程光蕴． 机械设计基础[ M] ． 北京 图6叠代过程中HI 和H 4 的数值变化曲线 5结论 本文对所设计的调平器的工作原理和结构进行了具体的分 析， 从而在设计上保证此调平器能够完成既定的工作， 并且达到 4 倪栋，段进等通 有限元斛 盱 A N s Y s 7 o 实 [ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 03 5 盂庆鑫， 刘贺平， 张岚， 弓海霞． 自 反馈式水下液压冲击器冲击频率的确定． 哈尔滨工程大学学报 ， 2 0 0 5 2 6 刘贺平． 水下液压冲击铲虚拟样机设计及关键技术实验研究 [ D ] ． 哈尔滨 工程大学学报， 2 0 0 5