一种软刚臂单点系泊腿万向节的数值计算方法

，，，，

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

我国渤海海域有多艘FPSO单点系泊装置，其设计制造技术主要由SOFEC、SBM、APL、Bluewater等几家公司垄断[1]，其中软刚臂单点系泊装置在世界范围内主要针对我国渤海海况设计制造，所以每次进口都需要支付大额费用，且系泊装置在服役阶段多次出现故障，在故障诊断和维修过程中也为国外单点系泊公司提供了大量工程案例经验，进一步促进了其技术发展及垄断。所以，开展单点系泊装置的自主研发，实现单点系泊装置的国产化，建立一条完整的单点系泊装置生产链，在填补技术空白，打破国外垄断，促进经济增长，增强国家影响力等方面具有巨大的积极作用。为此，依据软刚臂单点系泊装置相关资料，结合水动力和系统动力学计算数据，分析软刚臂系统中系泊腿万向节关键连接件的结构强度，初步确定万向节的结构尺寸及材料，为结构进一步设计制造提供参考。

1 万向节力学分析

1.1 系泊腿受力分析

图1 系泊腿受力分析

图1中，F数值取决于系泊腿铰接点系泊力计算结果。系泊腿主要作为拉杆承受轴向拉力连接系泊支架与系泊刚臂，在系泊腿受力分析中，两端铰接点Fx、Fy、Fz三个方向的力分别延轴向和垂直于轴向分解，沿轴向分力F轴主要影响结构强度，同时两端轴向力差值产生轴向加速度，沿垂直于轴向的分力F⊥轴主要作用系泊腿使其产生角加速度及加速度。故系泊腿强度分析中，简化处理为考虑两端较大轴向力作为拉升作用力加载，忽略垂直于轴向的分力，得到整体应力分布结果。万向节的F取值类似，取轴向拉力作为载荷，同时结合万向节摆动运动规律进行结构强度分析。

根据几何关系推导，得出θx、θy、θz与水动力模型提取数据Rx、Ry关系及Fx、Fy、Fz沿系泊腿轴向合力公式。

图2 万向节静强度分析流程

根据水动力系泊力计算结果提取系泊腿铰接点Fx、Fy、Fz数值，可以得出系泊腿结构强度计算输入数据。

1.2 万向节载荷分析

系泊腿万向节采用U型联接器将两根销轴空间垂直布置的方法代替传统的十字轴万向节，解决了安装困难，符合系泊腿受轴向力状态的万向节结构联接问题[3- 4]。其中，万向节由U型联接器和两根内径相同而长度不同的销轴及径向、止推轴承组成，F即系泊腿轴向力F合。在风浪流作用下，平台船体与软刚臂系统相互耦合，其运动和受力极为复杂，系泊系统结构件设计均以船体运动和系泊力作为设计输入。CCS《海上单点系泊装置入级与建造规范》中比较详细地介绍了准静态系泊力计算方法，为了进一步提高系泊力计算准确性，计算中利用ANSYS- AQWA商业软件进行动态时域耦合计算，得到单点系泊系统的系泊力。考虑水动力计算工况分为落潮、零水位、涨潮，且系泊腿有上下两个万向节[5]，处理数据得到不同工况中上、下万向节系泊力曲线。180°风浪流同向落潮、零水位及涨潮3种工况下的万向节系泊力见图3。

图3 3种工况下的万向节系泊力

从图3可以看出，万向节受力最大为涨潮时工况，系泊力最大值对应时间点为t=2.9 h。通过水动力计算结果，以船体位移作为为软刚臂系统动力学分析输入载荷，得到具体部件的动力学分析结果，将其作为万向节静力学输入载荷，进行静强度分析。动力学的通用运动方程为

式中：M为结构质量矩阵；C为结构阻尼矩阵；K为结构刚度矩阵；F为随时间变化的载荷函数。

考虑到动力学方程有显式或隐式两种求解方法，而显示动力学一般用于频率较高的问题求解，且其步长无法控制，结合万向节来回低频摆动的运动特点，此处软刚臂系统的动力学分析主要采用刚体动力学模块进行求解计算，其在Rigid Dynamic中的模型见图4。

图4 软刚臂系统动力学模型

2 系泊腿万向节建模

目前单点系泊装置上采用的万向节结构型式主要为系泊腿万向节的非标结构，其主要功能为连接系泊腿上下部件，能有效地传递回转运动，承受沿系泊腿的轴向拉力[5- 6]。其结构主要由两根销轴、U型联接器及相应的轴承组成，本文主要研究销轴及U型联接器的结构强度。采用CATIA软件装配三维模型，见图5。

关于后者，他以“书法环境——类型学”为工具，将其推进到了新的境界。赖非一直认为，做研究也好、搞创作也罢，一定要具有现代意识体现时代精神。“书法环境——类型学”是赖非在老祖宗的整体性和现代人的系统论、控制论和信息论基础上，对书法史自身的运动机制构建的方法论模型。书法史不再是单个作品和作者的集合，而是与环境保持着极为密切关系的、运动着的汉字——书法整体。因为这一具有时代精神的学术理论，山东的石刻、墓志、镜铭等等研究，都取得了突破性的进展。

图5 系泊腿万向节模型

3 系泊腿万向节计算分析

3.1 U型联接器强度计算

3.1.1 材料性能

在功能及受力特点上，系泊腿万向节与传统重载轧机所用十字轴式万向节类似，参考文献《重载十字轴式万向联轴器的运动仿真及结构优化》和JB/T 10189- 2010《滚动轴承汽车用等速万向节及其总成》、GB- T 3077- 1999《合金结构钢》及《机械设计手册》等规范内容，材料初步取用如下：销轴采用40Cr，万向节联接器采用42CrMo材料，滑动轴承材料采用铜基合金[7- 8]。

各部件材料力学性能如表1所示。

表1 材料性能

3.1.2 U型联接器有限元建模

1)实体模型及网格划分。实体模型如图6所示。有限元分析采用Ansys workbench软件Static Structural模块，导入Catia实体模型，建立相应的材料参数，模型采用实体单元来划分网格，网格由四面体与六面体构成，共27 076个节点，17 023个单元。

图6 实体模型

2)边界条件设置。如图7所示，通过水动力分析及软刚臂系统动力学分析结果，结合受力特点分析最大系泊力时间点，借助Excel表格得到结构强度设计输入值F系泊=3 533 kN，将刚体动力学的计算结果作为静力学输入载荷，充分考虑力和力矩的综合影响，分析得到此刻的结构应力。其中，结构弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

图7 U型联接器边界加载

3.1.3 U型联接器有限元结果分析

根据水动力计算结果及系泊腿受力分析，得到危险工况数据如图8所示。

图8 系泊腿应力云图

由图8可知，U型联接器结构最大应力为σmax=281.93 MPa，参考《海上单点系泊装置入级与建造规范》第六章关于许用应力的规范要求，可知42CrMo在设计尺寸下的拉压及弯曲法向许用应力取值为[σ]=0.8σs=0.8×930=744 MPa,σmax<[σ]，故U型联接器结构满足结构强度要求。

3.2 销轴强度计算

考虑销轴载荷主要来自U型联接器销孔的接触力，分析销轴受力特点，结合传统销轴强度校核计算流程，可知，销轴主要的失效形式为压溃及剪切，故主要进行挤压强度和剪切强度校核，此处通过理论计算的方法进行校核，销轴受力情况见图9。

图9 销轴载荷

图中：F=F合max=3 533 kN，由平衡方程可知销轴水平方向受力为0，即销轴轴力为0，销轴的剪力和弯矩分别如图10所示。

图10 销轴受力

万向节2根销轴规格尺寸及弯矩见表2。

表2 万向节销轴参数

综上所述，万向节销轴满足强度要求。

4 结论

1)与较简易低海况系泊装置悬链浮筒式单点将水动力结果直接用于部件结构强度分析的方法相比，本文针对软刚臂单点系泊装置所具有的多部件复杂运动及高海况正常工作的特点，在水动力分析与结构强度分析之间加入了多体动力学分析，得到每个部件的载荷输入及响应，提高了分析计算的准确性、合理性。

2)由于技术保护及主要依赖进口，国内外文献中，缺乏对软刚臂单点系泊装置中结构部件如万向节设计分析方法的相关研究资料。本文依托“中国能源局海洋核动力平台总体关键技术及装备研发”基金中关于软刚臂单点系泊装置国产化的项目，研究确定了一种可行的软刚臂单点系泊结构件的强度分析方法，对渤海软刚臂单点系泊装置结构件设计具有一定的借鉴及参考意义。

3)在研究中，发现尽管以质心位移代替船体作为输入简化了动力学模型，但整个软刚臂系统由于部件较多整体模型较大，单个工况的计算耗时较久，考虑后续风浪流多种组合工况，从并行计算及优化输入结果的角度提高计算效率仍需进一步考虑改进。

4)通过计算可以发现，软刚臂单点系泊系泊腿万向节应力极值一般出现在船体远离系泊点极端位置，符合软刚臂系统自身刚度曲线规律，且其应力变化曲线较符合“钟摆”运动，表明系泊腿在一个“平衡位置”附近来回往复运动，这对后续研究其疲劳强度具有指导意义。

[1] 《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程FPSO与单点系泊系统设计[M].北京:石油工业出版社，2007.

[2] MA Y, HU Z, QU Y. Research on the characteristics and fundamental mechanism of a newly discovered phenomenon of a single moored FPSO in the South China Sea [J]. Ocean Eng, 2013,59:274- 284.

[3] SUN Ye, WU Wenhua, FAN zheliang. Application of virtual prototype technology in design of monitoring system for FPSO mooring force [J]. Computer Aided Engineering, 2014(4):30- 34.

[4] XIAO L, YANG J and LI X. Shallow water effects on surge motion and load of Soft Yoke Moored FPSO [J]. Ocean Eng, 2007(21):187- 196.

[5] 王海平.基于原型测量的FPSO软刚臂系泊系统性能分析[D].大连:大连理工大学,2013.

[6] 陈小弟.我国浮式生产储油船(FPSO)的开发现状[J].船舶,2003(1):62- 63.

[7] 齐兴斌.FPSO软刚臂单点系泊系统原型测量及分析评价[D].大连:大连理工大学,2012.

[8] 许海东.软钢臂单点系泊系统系泊腿损坏故障分析及改进措施[J].企业技术开发,2013(3):83- 85.