桩腿耦合装置（LMU）的橡胶缓冲件设计分析

（河北省深海桩基配套装备技术创新中心，河北省衡水市，053000）（衡橡科技股份有限公司，河北省衡水市，053000） 石臣刚

近年来，随着深海油气资源的开发，我国开始建造越来越多的大型海上采油平台。浮托作业法与吊装法不同，其借助于浮托驳船，不仅承载能力大，而且不依赖昂贵的大型起重船，成本更低、适用范围更广[1]。浮托法在单件大型上部组块的安装过程中的应用已有二十多年的历史，使用该方法安装的上部结构重量从3 000t 到21 000t 均有记录。桩腿耦合装置（Leg Mating Unit，LMU）是运用于海洋石油平台浮托法安装过程中的高效缓冲装置。LMU 可以将平台组块重量平缓地从驳船转移到导管架基础结构上，并吸收安装过程中由于海浪造成的驳船摇摆、上下运动而产生的碰撞载荷，避免平台结构破坏，保证安装作业顺利进行[2]。LMU 内部的用于缓冲、吸能的弹性元件一般是竖向缓冲件和水平缓冲件。竖向缓冲件一般由硫化橡胶垫堆叠而成[3]。本文将针对竖向缓冲件的结构尺寸设计进行研究，通过有限元仿真，评估设计结果的合理性。

1 LMU结构

LMU 的主体结构包括刺锥接收器、水平缓冲件、竖向缓冲件、隔板和砂箱，以及与导管架连接为一体的外套筒和加强筋板。海上平台组块下落至刺锥接收器范围时，将会受到锥形部分的导向作用，便于组块的对正，水平缓冲件和竖向缓冲件可以吸收海浪等带来的运动载荷。在组块重量逐步转移到导管架的过程中，竖向缓冲件被不断压缩至设计位移，当组块与导管架完全合拢后，通过设置于砂箱底部的砂阀将内部砂子放出，竖向缓冲件的高度逐渐恢复，组块重量完全由导管架承受，之后完成组块与导管架的连接工作，海上平台组块的安装工作完成[4]。

2 LMU竖向缓冲件设计

在平台组块安装过程中，LMU的竖向缓冲件需要承受组块的部分重量，为保证平台保持平稳，竖向缓冲件的压缩位移和受压载荷之间的关系需要控制在一个严格的范围，如论文《ANSYS 软件在文昌LMU结构设计中的应用》[5]中提到的文昌9-2&9-3 中心平台的LMU 在设计位移450mm 时的竖向载荷设计误差要求为±5%。竖向缓冲件一般为橡胶硫化件，橡胶具有变形大、应力-应变曲线非线性的特点，理论计算方法如下。

2.1 理论计算

LMU竖向缓冲件的结构断面是环形的，环形断面橡胶堆的竖向刚度计算方法为

式中：k为竖向刚度；μ1为竖向形状系数；n为橡胶层数；h为每层橡胶的厚度（mm）；r1、r2分别是橡胶环的内外半径（mm）；E为杨氏弹性模数（MPa）；S为面积比；Ac为橡胶的承载面积；Af为橡胶的自由面积。

以上计算方法只适用于小变形状态，即压缩变形不大于25%[2]。以文昌9-2&9-3中心平台LMU最大载荷组为例：LMU 设计载荷1 650t，设计位移450mm，设计误差±5%，则橡胶层的最小总厚度为450/25%=1 800mm。

压缩变形不大于25%的设计准则是针对支座类、减振弹簧类橡胶制品，这类产品的免维护年限一般要求15～25 年，或者要求10 万公里运行里程。通过分析LMU 竖向缓冲件（VE）的使用工况，可知VE 的使用寿命要求更低，25%的设计要求的冗余过大，可以适当提高压缩变形比。表1 是对应不同压缩比下的橡胶层总厚度，从中可以得出结论，橡胶压缩比越小，橡胶层的总厚度越大。

表1 压缩变形下的橡胶层总厚度

2.2 基于ABAQUS的有限元计算

ABAQUS 有限元分析软件拥有丰富的单元库，可以用于模拟各种复杂的几何形状，并且拥有丰富的材料模型库，可用于模拟绝大多数的常见工程材料，如金属、聚合物、复合材料、橡胶、可压缩的弹性泡沫、钢筋混凝土以及各种地质材料等。较常用的适用于橡胶等超弹性材料的本构模型有Mooney-Rivlin、Yeoh、Neo Hooke、Marlow 和Ogden 等。Yeoh本构模型对试验数据要求简单，描述的变形范围宽，适合于模拟大变形工况[3]。本文采用Yeoh 本构模型来进行仿真计算，参数：C10=0.75，C20=-0.0 058，C30=0.0 033，D=0。

2.2.1 相同压缩比，不同单元件数量

当选定橡胶压缩比为40%时，通过模拟不同橡胶层数时的工况，对比其应力、使用橡胶体积等，获得较为经济的设计方案。表2 为压缩比40%，压缩位移450mm，不同层数的每层橡胶的厚度。

表2 橡胶层厚度

基于竖向缓冲件的结构特点，选取轴对称模型进行计算。固定竖向缓冲件的底面，在其上表面的耦合点施加450mm位移。

表3对比了40%压缩比下，不同数量单元件时，橡胶的最大应力、最大应变、胶料总体积等内容，从设计和经济性方面对设计进行评估。随着VE单元件数量的增加，使用胶料的总量减小、VE单元件的外形尺寸减小，橡胶部分的最大应力、最大应变呈线性化增加。

表3 40%压缩比下橡胶参数对比

基于以上对比，增加VE单元件数量，可以减少胶料的使用，同时VE 单元件尺寸减小可以使LMU外筒的尺寸缩小，从而节约原材料；但是随着单元件数量增加，橡胶体的应力直线上升，橡胶有损坏的风险。所以可以在确保结构完整的前提下，增加VE单元件数量，以降低成本。

一般典型的软硫化胶的最大剪切应变值为170%，相对应的允许压缩应力为3G～5G 之间（G 为剪切模量，大小约为1MPa）[4]。但这个数值过于保守，不利于对橡胶材料性能的充分利用，根据《桥梁支座（第4版）》，板式支座的极限压缩应力可以达到70～100MPa[5]，考虑到VE 单元件的结构、性能需求特性，以及寿命要求远低于板式支座，取橡胶部分的最大应力为15MPa，进一步计算压缩比对设计的影响。

2.2.2 相同单元件数量，不同压缩比

按照前面的结论，选取VE 单元件数量5，然后取不同的压缩比，更进一步对应力、应变、用橡胶量等进行对比，以获得更为经济、高效的设计方案。VE单元块数量5时的载荷-压缩位移曲线如图1所示。

图1 VE单元块数量5时的载荷-压缩位移曲线

由图1 可以看出，竖向缓冲件的刚度随压缩位移增大而增大；增加压缩比会使压缩前期的刚度下降，后期的刚度增加更快；压缩比在25%和30%时，压缩位移-反力曲线接近于直线，随着压缩比增加，曲线的非线性逐渐显著，刚度变化的拐点也愈加明显。

不同压缩比下的橡胶参数对比如表4所示。

表4 不同压缩比下的橡胶参数对比

由表4可知，VE橡胶部分的应力随着压缩比增大呈指数上升；使用胶料的体积呈指数下降。表明适当增加压缩比可以显著的降低原材料成本。

3 结语

综上所述，经过计算和数据对比，在同一压缩比下，竖向缓冲件中的单元件数量越多，单元件橡胶部分的应力越大，同时胶料的使用量逐渐减小，VE单元件数量不变时，增加橡胶的压缩比，单元件橡胶部分的应力成指数上升，同时胶料的使用量逐渐减小；在保证竖向缓冲件结构完整的情况下，增加单元件数量和压缩比，可以显著降低原材料使用量，LMU的竖向缓冲件的压缩比可以提高到40%到50%，超过了理论公式计算的范围，而有限元软件可以很好的进行仿真模拟。本文仅对LMU 的竖向缓冲件的设计、仿真进行了从压缩比和单元件数量两个维度的比较，缺乏对LMU高度和外套筒直径等限制的考虑，也未考虑对胶料性能进行调整。本文仅提供一种设计方向和思路，对于具体项目的设计仍需要进行针对性的设计分析。