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自升式鉆井平臺(tái)是近年來近海油氣勘探開發(fā)中使用最廣泛的海洋工程裝備之一，平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵核心部件。對(duì)于鎖緊裝置而言，安全可靠性設(shè)計(jì)是極其重要的環(huán)節(jié)，研制性能良好的鎖緊裝置對(duì)于平臺(tái)的安全穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。因此，需要設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，選取合適的零部件材料，采取適宜的計(jì)算方法，來驗(yàn)證鎖緊系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)工況中能否達(dá)到使用要求。
同以前的鎖緊機(jī)構(gòu)相比，新研制的鎖緊系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)和承載能力上都有了較大的提升和改進(jìn)。鎖緊系統(tǒng)的整體鋼架采用拼接式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部零件采取鍛、鑄結(jié)合的工藝，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且焊接組裝等工序較為方便，降低了裝配后的成本和風(fēng)險(xiǎn)，也使得設(shè)計(jì)人員在研發(fā)初期就能對(duì)鎖緊系統(tǒng)的整體性有進(jìn)一步的理性認(rèn)識(shí)。
六面體單元是擁有局部和整體兩個(gè)坐標(biāo)系的三維單元，可用線性函數(shù)描述。其基本參數(shù)如應(yīng)力、應(yīng)變等與彈性模量E和泊松比μ有關(guān)聯(lián)，每個(gè)六面體單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。
將整體離散成有限個(gè)微分體dxdydz任取一個(gè)來探討應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系。整體在外部載荷的作用下，體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)由6個(gè)應(yīng)力分σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx來表示。
由彈性力學(xué)可知，彈性體內(nèi)任取一點(diǎn)處的應(yīng)力、應(yīng)變和位移間的關(guān)系可根據(jù)公式描述出。在單個(gè)單元?jiǎng)偠确匠痰幕A(chǔ)上，通過集成得到整體剛度方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)有限元分析。集成的原則是相鄰單元間在共用節(jié)點(diǎn)處的位移也相同。根據(jù)得出的節(jié)點(diǎn)位移，代入公式，并計(jì)算，即可得到相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。
有限元軟件自身的建模功能與專業(yè)的三維繪圖軟件對(duì)比而言，其功能相對(duì)單一，但均與各繪圖軟件有著良好的接口程序，因此鎖緊系統(tǒng)實(shí)體模型采用UG進(jìn)行建模，之后導(dǎo)入ABAQUS軟件中將模型進(jìn)行規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分，以提高分析計(jì)算結(jié)果的精度。確保模型在分析計(jì)算過程中能夠達(dá)到所需精度的前提下，將實(shí)體結(jié)構(gòu)中的部分細(xì)小倒角，螺栓孔等對(duì)整體強(qiáng)度影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，以縮短不必要的計(jì)算時(shí)間。以ABAQUS軟件的非線性分析模塊作為分析平臺(tái)，對(duì)鎖緊系統(tǒng)加載極限載荷的工況下進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的后處理。
在對(duì)鎖緊系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析的同時(shí)，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如鎖緊齒條、壓塊等鎖緊裝置中的關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，盡量做到與實(shí)際情況相一致，從而減少因外部條件改變?cè)斐傻挠?jì)算誤差。因此在分析過程中采取的分析類型為邊界非線性。此類問題在物體相互接觸邊界位置以及接觸面上的應(yīng)力大小和分布事先是未知的，將整個(gè)問題求解完成后才能確定各接觸面的受力情況以及位移變化。
前處理在整個(gè)有限元分析過程中所花費(fèi)的時(shí)間和精力是最多的，占整個(gè)過程70%左右。而前處理過程中，有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于求解的精度和準(zhǔn)確度有著決定性的影響。前處理的效率高低以及質(zhì)量好壞對(duì)整個(gè)有限元分析重要性很高。在接觸分析中，同等條件下，六面體網(wǎng)格要比四面體網(wǎng)格仿真的結(jié)果更為準(zhǔn)確，在接觸起作用的同時(shí)也能使分析更容易收斂，這也是本次鎖緊系統(tǒng)采用六面體單元為主分析的原因。
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