基于ABAQUS／Explicit的深水连接器准静态分析

赵三军，段梦兰，李旭东，刘亚磊，罗晓兰，代广文，李 博

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.中海油研究总院，北京100027）①

基于ABAQUS／Explicit的深水连接器准静态分析

赵三军1，段梦兰1，李旭东1，刘亚磊1，罗晓兰1，代广文1，李 博2

（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.中海油研究总院，北京100027）①

介绍了深水套筒式连接器的结构与工作原理。建立了有限元模型，运用A baqus／Explicit显式准静态分析求解，从能量的角度判定模型分析的准确性，从计算结果判定该连接器的设计能否满足强度要求。显式准静态分析求解既保证了数值计算的准确性，又解决了静态分析复杂接触时严重的不收敛问题，为解决复杂接触的静力问题提供了一种方法。

水下生产系统；连接器；有限元法；准静态分析

深水区域的油气资源相对浅水区域丰富，人类开采的方向也从浅水逐渐深入到深水，而水下生产系统已成为重要的深水开发装备［1］。深水连接器是水下生产系统的重要组成部分，其主要作用为水下生产设施的连接，包括水下采油树与水下管汇的连接，跨接管与水下采油树的连接、P L E T（管道终端）与P L E M（终端管汇）的连接等［2-4］。目前，国内连接器的研究都处于起始阶段，国外对连接器的研究比较成熟，并得到了广泛应用。随着我国南海荔湾3-1气田的开发，深海油气开采被逐渐提上日程，深水连接器等水下设备将有着广泛的市场需求［5-11］。因此，我国设立了2个国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”和“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”，促进我国在该领域的技术研究。

深水连接器结构复杂，研制时要经过反复计算论证。A B A Q U S／Explicit准静态方法求解复杂静态接触问题比A B A Q U S／Standard有着明显的优势［12-14］，本文把这种准静态方法运用于求解大型的复杂的连接器问题，是一种新的尝试。

1 深水套筒式连接器的结构与工作原理

套筒式连接器分为机械式和液压式。主要由核心部件和辅助部件2部分组成，其中核心部件包括公毂座、母毂座、金属密封件、卡爪、驱动环等；辅助部件有定位机构、轴向锁紧机构、液压元件、控制面板等。液压式连接器不需要安装工具。机械式连接器包括连接器和安装工具2部分，其中连接器由核心部件组成，安装工具由辅助部件组成。工作原理是：驱动环向前运动带动卡爪，使卡爪与公、母毂座啮合，从而锁紧毂座，同时毂座内的金属密封件因受挤压发生变形，从而起到密封的效果。

深水套筒机械式连接器是先在水面与跨接管连接在一起的，然后一同安装到水下设施上。在水下安装时要用安装工具将连接器的2个毂座连接到一起，并且要在毂座之间用密封件密封。周游［8］等研究了水平套筒式连接器的安装方案。当密封件损坏时，还需要用安装工具对连接器进行解锁和重新锁紧来完成密封件的更换［9］。图1为水平套筒式连接器核心部件，图2为正在通过索具下放安装工具。

图1 水平套筒式连接器核心部件

图2 下放安装工具

2 有限元数值模拟

2.1 建立模型

由于连接器的母毂座、公毂座、驱动环、密封件都是轴对称的，环向装有20个卡爪，所以有限元模型可以简化为环向的1／20。模型全部采用六面体网格，单元类型全部为八结点六面体减缩积分单元，如图3所示。划分网格时，卡爪和密封件受力比较复杂，且是重要部件，网格划分的密些。各个部件的单元数和结点数如表1所示。

图3 水平套筒式连接器的有限元模型

表1 各个构件单元数和结点数

2.2 数值求解方法

连接器锁紧时，驱动环由安装工具缓慢推动，推动一定距离后停止。同时，驱动环压紧卡爪，卡爪锁紧公毂座和母毂座，公毂座和母毂座压紧密封件，形成有效密封。这是一个静态过程，本应该选用A B A Q U S／Standard进行求解计算，但在此过程中，存在非常复杂的接触，其接触面包括驱动环与卡爪的接触，卡爪与公毂座和母毂座的接触，密封件与公毂座和母毂座的接触，使用A baqus／Standard求解会存在很严重的不收敛问题，所以采用A baqus／Explicit显式准静态分析方法求解。显式求解方法是1种动态求解过程，通过缓慢、准静态的加载来模拟静态过程。A baqus／Explicit应用中心差分方法对运动方程进行显式的时间积分，应用前1个增量步的动力学条件计算下一个增量步的动力学条件［12］。其求解流程是：

1） 结点计算

增量步开始t时刻的动力学平衡方程为

对时间显示积分：

通过式（2）和式（3）可知t＋Δt／2时刻的速度和t＋Δt时刻的位移。

2） 单元计算

3） 设置时间为t＋Δt，返回到步骤（1）。

准静态分析的关键是要控制加载时间，选择恰当的加载时间，即保证惯性力的影响不明显又能缩短计算时间，要确保模型的动能决不能超过其内能的一个很小的百分比（典型地为5%到10%）［13-14］。

2.3 定义接触

A B A Q U S／Explicit提供了2种算法来模拟接触问题。通用接触（general contact）算法可以简单地定义接触，对接触面的类型限制较少。接触对（contact pair）算法定义接触的过程比较复杂，对接触面的类型有比较严格的限制。模型的接触比较复杂，这里采用通用接触算法，A B A Q U S／Explicit采用罚函数法引入接触条件。使用的摩擦模型为库伦摩擦，即使用摩擦因数来表示接触面之间的摩擦特性。库伦摩擦的计算公式为：

式中：τ为切应力，μ为摩擦因数，p为法向应力。

2.4 能量平衡

如何评价模拟的过程是否产生的正确的准静态响应，研究模型中的各种能量是一种具有普遍意义的方式［15］。A B A Q U S／Explicit中的能量平衡方程：

式中：Etotal是在系统中的总能量；EI是内能（包括弹性和塑性应变能）；EV是粘性耗散吸收的能量；EKE是动能；EFD是摩擦耗散吸收的能量；EW是外力所做的功，这里Etotal近似于一个常数，一般其误差小于1%［15-16］。

3 能量分析与计算结果

设计的深水套筒机械式连接器是在水深1 500 m，内压34.5 M Pa的压力下工作的，取各个接触面之间的摩擦因数μ＝0.1，从能量的角度判定模型分析的准确性，从计算结果判定连接器的设计能否满足强度要求。

3.1 能量分析

根据第2.2节和2.4节，可以从2个方面判断数值计算的结果能否作为静力计算的可接受结果。

1） 模型动能与内能的比小于10%。

2） Etotal近似于1个常数，其误差小于1%。计算结果如图4～5。

图4 动能与内能曲线

图5 总能量曲线

由图4可以得到模型的最大动能值为5 165.84J，总内能值为75 723.8 J，模型的动能与内能比为6.8%，满足式（1）的要求。

由图5可以得到的最大与最小能量值分别是3 927.39、3 899.74 J，误差为0.7%，满足式（2）的要求。

综上，模型数值计算的结果是稳定的，而且符合准静态计算的一般要求，得到的结果可以作为近似的静力计算结果。

3.2 计算结果

由第3.1节可知，计算结果是可以接受的，下面对计算结果进行评价。各部件的材料属性如表1。

表1 各部件材料属性

分析结果如图6，模型的最大应力为329.5 M Pa，均未超过各个部件的屈服强度，所以判定连接器的设计能够满足强度要求。

图6 水平套筒式连接器的应力云图

4 结论

1） 由于连接器的接触比较复杂，使用A baqus／Standard求解会存在很严重的不收敛问题。采用A B A Q U S／Explicit显式准静态分析方法求解，有效地解决了不收敛问题。

2） 介绍了准静态分析的特点，从能量的角度判定了模型分析的准确性。由计算结果判定了连接器的设计能够满足强度要求。

3） 连接器准静态分析方法的探索，为海洋石油复杂设备的数值计算提出了一种思路。

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Quasi-static Analysis of Deepwater Collet Connector with A B A Q US／Explicit

Z H A O San-jun1，D U A N M eng-lan1，LI Xu-dong1，LIU Ya-lei1，L U O Xiao-lan1，D AI G uang-wen1，LI Bo2
（1．O ffshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleu m（Beijing），Beijing102249，China；2．C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

T he structure and w orking principle of deep water collet connector is introduced.Finite element m odelis established，A baqus／Explicit quasi-static analysis is used to solve the m odel，the accuracy of the m odel analysis fro m an energy pointis determined and the design of the connector is determined if it can meet the strength requirements or not on the basis of calculation results. Q uasi-static analysis could not only ensure the accuracy of nu merical co m putation，but also solve serious non convergence problem of static analysis of co m plex contact，and provide a way to solve static problem of co m plex contact.

subsea production system；connector；finite element method；quasi-static analysis

T E952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.005

1001-3482（2014）08-0023-04

2014-02-27

国家科技重大专项“水下管汇连接器样机研制”（2011Z X05026-003-02）；国家科技重大专项“深水水下生产设施

制造、测试装备及技术”（2011Z X05027-004）

赵三军（1987-），男，河北泊头人，硕士研究生，主要从事海洋石油装备研究，E-mail：cupzsj＠g mail.co m。