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第35卷 第12期 2013-12(上) 【5】【4】 第35卷 第12期 2013-12(上)响应分析,可以很好的反应海洋井架在工作过程受动载荷作用下的响应特性。观察模态分析的结果,井架的第一阶、二阶振型表现为整体振动,且顶部节点的振幅最大。谐响应分析中,加载求解后,取顶部节点进行分析。由模态分析得出的固有频率和振型,可知井架变形响应情况受激振载荷的频率和方向的影响。考虑在波浪升沉力作用下井架受激振载荷的变形响应主要表现为Z方向位移随频率变化,忽略X、Y方向的位移响应情况,得出幅频特性曲线如图4所示。图4顶部节点Z方向位移随频率变化曲线通过分析图4,可以看出Z向位移出现峰值所对应的频率为27.02Hz(接近18阶频率,26.270Hz)和31.8Hz(超过前20阶频率)。重点分析这两个激振频率下对应井架位移和应力的最大值,再与最大静钩载作用下井架位移和应力的最大值作对比分析,如表2所示。表2谐响应分析与静态力学分析对比静态分析最大值位移/mm1.304应力/MPa9.430动态谐响应分析最大值激频27.02Hz位移/mm9.331应力/MPa136激频31.80Hz位移/mm1270.480应力/MPa22300通过对表2进行分析,当波浪升沉作用对井架产生的激振频率为27.02时,井架的最大位移变形是静态分析的7.2倍,最大应力是静态分析的14.4倍。当波浪升沉作用对井架产生的激振频率为31.80时,井架的最大位移和应力都超过了井架的安全承载范围,此时钻井船所处环境较为恶劣,实际应该处于停钻避风浪状态。5结论1)钻井船在波浪升沉力作用下会产生振动,从而引起钻机井架受到附加的振动载荷,本文给出了井架振动载荷的计算公式,为研究井架受振动载荷产生共振、疲劳等破坏提供理论依据。2)对该海洋井架进行模态分析,得出其固有频率和振型,前两阶振型反映了井架的整体振动形式,主要表现为桩腿的弯曲变形,为增加该井架的整体稳定性,可以提高其桩腿的刚度。3)三阶、四阶振型主要表现为下部矩形结构的桩腿弯扭变形,可以改变其桩腿的刚度和截面长宽比来改善;五阶振型表现为局部横梁变形较大,可以适当增加其截面尺寸。4)对该海洋井架在工作中受波浪升沉力作用的谐响应分析,得出了位移随频率的响应曲线,较好的反映了井架共振特性。5)考虑该井架在波浪升沉力作用下受到不稳定的变应力,通过谐响应分析为运用疲劳损伤理论预测井架使用寿命提供了理论依据。参考文献:[1]邹龙庆.石油钻机井架动态响应分析[D].哈尔滨工程大学,2006,4.[2]邹龙庆,付海龙,任国友,等.基于I-DEAS的石油井架模态分析[J].天然气工业,2005,25(7):59-61.[3]VittorioGusella.In-ServiceDynamicBehaviorofaDrillingDerrickonaJacketplatform[J].InternationalJournalofOffshoreandPolarEngineering,1996,6(3):184-194.[4]刘金梅,周国强,韩国有.基于有限元动力模型的在役钻机井架仿真模型[J].石油学报,2009,30(5):788-792.[5]梁庆海,周国强,韩东颖.JJ454/49-H型海洋动态井架动力特性分析[J].石油矿藏机械,2007,36(4):34-37.[6]HuJun,TangYougang,LiShi-xi.Vibrationtestandassessmentforanoceandrillingrigderrick:TakingtheZJ50/3150DBdrillingrigasanexample[J].PetroleumExplorationandDevelopment,2013,40(1):126-129.[7]郑刚,谢方伟,王和伟,等.盘式制动器关键零部件模态分析[J].机械设计与制造,2013,2:172-176.[8]张彦廷,武光斌,姜浩,等.浮式海洋钻井钻柱对大钩位移的响应分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2011,35(1):110-114.[9]清华大学工程力学系.机械振动(上册)[M].北京:机械工业出版社,1980.[10]刘习军,贾启芬,张文德.工程振动与测试技术[M].天津天津大学出版社,1999.螺栓连接有限元模拟方法的应用研究Astudyonthefiniteelementmodelingforboltedconnectionbasedonhyperworks刘瑞昌,刘祥斌,宋年秀,潘福全,张贯超LiuRui-chang,LiuXiang-bin,SOngnian-xiu,PanFu-quan,ZHangguan-chao(青岛理工大学汽车与交通学院,青岛266520)摘 要:基于Hyperworks对螺栓一种连接方式进行了四种有限元模拟方法的比较,分析了各种模拟方法的应力分布,并进行了试验验证。最终得出了最优模拟螺栓连接的有限元分析方法,为工程中CAE分析提供了有力的支持。关键词:螺栓连接;Hyperworks;有限元分析中图分类号:U465.9 文献标识码:A 文章编号:1009-0134(2013)12(上)-0005-04Doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2013.12(上).02收稿日期:2013-08-23作者简介:刘瑞昌(1965-),男,讲师,硕士,研究方向为载运工具结构设计优化。0引言螺栓作为重要的连接件,结构简单、拆装方便、调整容易,被广泛应用于航天航空、工程机械、汽车以及各种工程结构之中。由于螺栓力学作用相当复杂,很难建立起统一模型进行设计计算。传统的解析方法主要是运用力的分解和平移原理,解力学平衡方程,借助理论和经验公式,对螺栓进行强度校核[1]。这种方法没有考虑到连接部件整体性、力的传递途径和部件的局部细节(如应力集中、应力分布)等等。有限元法通过整体建模和局部细化,可以弥补传统解析方法的缺陷,使计算过程更方便和计算结果更准确,因此,在螺栓强度校核中应用越来越广泛。不同的建模方式,繁琐程度不同,计算工作量不同,计算结果精度也不同,那么,如何建模能更简单而且接近实际情况,就成为一个很现实的问题。基于有限元分析软件Hyperworks,对一种螺栓连接方式进行了探讨,分析了四种模拟方法,并进行了试验验证。1螺栓连接的有限元模拟及结果分析1.1螺栓及连接板材料参数所用螺栓的材料为45钢,弹性模量为210GPa,泊松比为0.29,抗拉强度为600MPa,屈服强度为355MPa。被连接板材料为普通优质钢,弹性模量为210GPa,泊松比为0.30,屈服强度355MPa,抗拉强度500MPa。被连接板的物理参数为长度200mm,宽度100mm,厚度25mm。装配孔大小为25mm。1.2有限元模型单元类型的选取有限元分析过程中,选择恰当的单元类型,不但可以提高计算速度,而且能够保证计算结果的正确性和准确性。模型中采用的是壳单元和实体单元。壳单元既具有弯曲能力和膜力,也可以承受平面内荷载和法向荷载。单元上的每个节点具有6个自由度:沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动。应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析(有限转动)中可以采用不变的切向刚度矩阵。如图1所示。zuyuxuxkKLzzxYyTriangularOption图1壳单元示意图实体单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。四面体单元通过4个节点来定义,六面体单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度,3个旋转自由度全部被约束[2]。如图2所示为六面体单元示意图。1.3螺栓连接有限元模型模拟为了能对螺栓连接关系进行合理的模拟,利用算例比较了四种常用的模拟方案。采用的算例如图3所示,两块板通过两个螺栓连接到一起,一第35卷 第12期 2013-12(上) 【7】【6】 第35卷 第12期 2013-12(上)块板的一端被完全约束。另一块板的自由端上端施加Z向载荷,如图3所示。算例模型通过Pro/E建模,然后在hypermesh中划分网格,完成模型的前处理工作。⟆⟆图3螺栓连接示意图如图4所示为Z向载荷下不同螺栓连接仿真模型网格图,前三种模型都是通过抽取模型的中面,通过中面确定网格的位置,然后对中面进行网格划分,选择PSHELL壳单元作为分析的单元类型,第四种模型采用SOLID实体单元作为分析的单元类型[3]。(a)(b)(c)(d)图4不同螺栓连接模拟方法有限元模型具体的装配关系如下:1)模型(a)中,装配关系被简化成相应装配孔中心直接采用刚性单元CBEAM进行连接。2)模型(b)中,在建立装配关系时首先将装配孔的边缘与装配孔中心采用刚性单元RBE2建立约束关系,然后再如模型(a)一样对相应的装配孔中心点进行CBEAM刚性连接。3)模型(c)中,直接将相应装配孔的边缘对应节点进行刚性连接。4)模型(d)中,采用接触模型进行分析,连接板采用六面体单元,螺栓采用四面体单元进行网格划分,将被联接板之间、联接板与螺栓杆之间、螺母螺帽与被联接板之间均设为接触连接,这样能够更好地模拟螺栓与连接板,以及连接板之间的关系,最大程度地模拟螺栓联接的力学行为和应力分布[4]。1.4模拟结果分析计算后,得到相应的应力分布图,如图5所示。由于模型(d)采用的是接触连接,考虑了连接板之间,螺栓与连接板之间的接触关系,能够比较准确地反映接触体之间的相互作用和变形协调过程,所以其应力分布可以近似作为真实应力分布与其他三种简化方案进行对比。同样,将载荷方向改为Y向,可以得到Y向载荷下的应力分布,Y向载荷下的应力分布图文中不再陈述。(a)(b)(c)(d)图5不同螺栓连接模拟方法有限元模型应力分布图根据应力分布图,各模拟方法有限元结果分析如表1所示。表1各种模拟方法有限元分析结果应力单位:MPa模型Z向载荷最大主应力相对误差Y向载荷最大主应力相对误差复杂程度(a)269.467.85%107.554.23%低(b)168.85.17%73.43.70%中(c)173.17.85%77.110.62%中(d)160.50.00%69.70.00%高注:相对误差以模型(d)最大应力为基准。综上,模型(b),即先将装配孔的边缘与装配孔中心采用刚性单元RBE2建立约束关系,然后再将装配孔中心点进行CBEAM刚性梁连接的模拟方法比较接近实际,这种模拟方法不仅计算精度高,而且计算的工作量比较少,适合具有大量螺栓装配孔结构的有限元模拟计算。为了验证这种模拟方法具有普遍适应性,下面在原来螺栓连接方式的基础上,采用单一变量的方法对四种模拟方法做进一步研究[5]。原来的连接板的几何参数为长200mm,宽100mm,厚25mm。采用单一变量四种模拟方法结果如表2所示。表2不同几何参数连接板的模拟分析结果几何参数(mm)最大主应力(MPa)长宽厚(a)(b)(c)(d)300100253431282171222002002524313817313020010012.5741346454328注:载荷方向为Z向。由表2可知,连接板几何参数发生了变化,但模型(b)的模拟精度仍是最高的,所以被连接件的几何尺寸对四种模拟方法结果分析的结论没有影响,下面再对不同规格的螺栓进行研究[6]。分析结果如表3所示。表3不同螺栓规格的模拟分析结果装配孔大小(mm)最大主应力(MPa)(a)(b)(c)(d)202341721781643023410914310235234165205156注:载荷方向为Z向。通过表3可知,最接近模型(d)主应力大小的还是模型(b),所以装配孔大小不是影响四种模拟方法应力大小的因素。综上,用模型(b)模拟螺栓连接关系在工程实际中具有普遍适用性,同样这种模拟方法也适用于铆钉连接。2螺栓连接试验验证对螺栓连接进行应力测量试验,来验证以上模拟方法的结论。为了方便加载,载荷施加方向为Y向。2.1试验对象与仪器试验中,连接板采用的是普通优质钢,
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