付 利張 棣徐興平張 辛王言哲

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司; 2.海洋石油工程股份有限公司; 3.中國石油大學(華東)機電工程學院)

鋪管船張緊器主框架結構優(yōu)化設計*

付 利1張 棣2徐興平3張 辛3王言哲3

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司; 2.海洋石油工程股份有限公司; 3.中國石油大學(華東)機電工程學院)

以鋪管船張緊器為研究對象,對張緊器的工作原理進行了分析,建立了張緊器主框架結構優(yōu)化分析的模型。使用有限元軟件ANSYS結構優(yōu)化模塊對某鋪管船張緊器主框架進行了結構優(yōu)化,張緊器主框架鋼材用量從原設計的1.483m3下降到了0.489m3,節(jié)省67%,極大地減輕了張緊器的質量;同時,優(yōu)化后的安全系數仍達3.29,能夠滿足海上鋪管作業(yè)的要求。本研究中所使用的優(yōu)化思路和優(yōu)化方法可以作為海上工程設備設計的基礎,對平衡海上施工的經濟性與安全性具有指導意義。

鋪管船;張緊器;主框架;結構優(yōu)化;經濟性與安全性;ANSYS有限元分析

張緊器是海底管線鋪設中的重要設備,主要結構包括主框架結構、管道夾緊和前后送管系統(tǒng)、動力驅動系統(tǒng)等[1],具體結構如圖1所示。鋪管作業(yè)中,管線在接觸海底前有較長的懸空段,鋪管船會在潮漲、潮落以及風、浪、流的作用下產生升沉和搖蕩運動。張緊器的作用就是使管線上的應力始終維持在正常范圍內,阻止管線由于受到過大的拉應力或者彎曲應力而損壞,保證作業(yè)安全。此外,由于目前很多管線都是在甲板上焊接,為達到安全作業(yè)條件,在焊接過程中張緊器須保持管線固定不動。

圖1 鋪管船張緊器結構示意圖

國外對鋪管船張緊器的研發(fā)較早,技術相對成熟,比較知名的生產商有荷蘭SAS公司、美國WESTECH公司、意大利REMACUT公司等[2]。國內對鋪管船張緊器也進行了一些相關的研究工作[3],起初從國外進口過幾臺張緊器,但是所進口的張緊器價格昂貴、結構復雜、體積也很大[4]。2000年建成的“藍疆號”上配備了國內較為先進的張緊器,適用管線直徑114～1 219mm,單臺張緊器最大張緊力為710.982 kN[5]。后來“勝利901”、“勝利902”鋪管船上的張緊器也均為自主研發(fā)配套,對國內海底管線鋪設裝備的發(fā)展有極大的推動作用。

海上施工中作業(yè)船的排水量和甲板空間都是有限的,減小施工設備的質量和體積就意味著更高的作業(yè)效率、更低的作業(yè)成本和更好的自持能力。因此,筆者通過使用ANSYS軟件結構優(yōu)化模塊對某鋪管船張緊器的主框架結構進行優(yōu)化設計,旨在用最小的鋼材用量實現所需的作業(yè)能力,以達到安全性與經濟性的平衡。

1 優(yōu)化模型的建立與求解

1.1 優(yōu)化模型的建立

優(yōu)化設計的數學模型就是用來表達各個設計變量、約束條件及優(yōu)化目標項之間關系的數學表達式,通常包括設計變量、約束條件以及目標函數。在張緊器框架和主梁的優(yōu)化中,設計變量為各個部分的壁厚T,可以表示為

為保證張緊器能夠安全可靠的工作,須滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的要求,其結構優(yōu)化設計須建立的約束條件包括應力約束條件、剛度約束條件,即

應力約束條件

剛度約束條件

變量取值邊界條件

式(2)～(4)中:σ和f分別為結構中最大應力和最大變形量;[σ]和[f]分別為許用應力值和許用變形量;Ti為各板厚度。

鋪管船張緊器結構優(yōu)化設計的目標是使框架和主梁在滿足一定的強度和剛度條件下,通過優(yōu)化其幾何尺寸及板厚使框架和主梁所用的材料最少,即體積(質量)最小,因此選取框架和主梁的體積作為目標函數,即

式(5)中:ρ為材料密度;Si為第i個結構的面積;Ti為第i個結構的厚度。

1.2 優(yōu)化模型的求解

研究表明,張緊器結構優(yōu)化模型的求解問題就是帶有約束的非線性規(guī)劃問題,在使用有限元方法處理約束非線性規(guī)劃問題時,一般采用變分原理,即利用罰函數法將約束非線性規(guī)劃問題轉換為泛函駐值的求解問題[6]。

罰函數法是引入權因子ρi(其中ρi≥0),把帶有約束條件的函數合并到目標函數,進而構成增廣函數,即

式(6)中:H(g(xj))為約束條件的泛函。

為求得函數min f(x),先指定一個估計的初始值x(0),然后按一定的方法找到比x(0)更優(yōu)的解x(1),從而有f(x(1))＜f(x(0)),再按這個規(guī)則找到比x(1)更優(yōu)的解x(2)。對于第k步來說,一直都成立的公式是

式(7)中:λ(k)為搜索方向上每次向前移動單個步長; S(k)為搜索方向。

如此可以得到一個解的序列{x(k)},使目標函數值f{x(k)}逐步縮小,進而一步步逼近精確結果。如果這個序列有限,則稱該序列收斂于x*,即[7]

2 張緊器主框架結構優(yōu)化

2.1 基本參數

某鋪管船張緊器額定張力750 kN,最大速度35m/min,適應管徑127～889mm,外形尺寸8.0m (長)×4.0m(寬)×6.0m(高),管線質量130 t。主框架方鋼300mm×300mm,框架中間連接梁及加強斜梁150mm×150mm,頂框架梁260mm×100mm,上下框架連接板370mm×370mm。

2.2 主框架結構有限元分析

鋪管船張緊器主框架結構都是由梁結構組成[8],選用BEAM188單元,材料選用Q345鋼,其楊氏模量E=210 GPa,泊松比μ=0.26,密度ρ= 7 800 kg/m3。根據提供750 kN張緊力的要求,管線外側水泥和履帶板上橡膠的摩擦系數為0.3,則上框架需要為管線提供600 kN的垂直壓力,加上管線質量130 t,則下框架所受的壓力為1 900 kN。將各個載荷施加到所建立的主框架架構有限元模型上,所計算的主框架應力如圖2所示。

圖2 某鋪管船張緊器設計的主框架應力云圖

經有限元分析,該鋪管船張緊器主框架最大應力為44.2 MPa,主框架所用材料的總體積為1.428m3。主框架所用材料為Q345鋼,其屈服強度為345 MPa,按安全系數為2計算,結構最大應力只要不超過172.5 MPa就能滿足要求;而本設計中主框架最大應力遠小于材料的屈服強度,安全系數為7.81,過于保守,勢必造成海上鋪管作業(yè)中的資源浪費和張緊器建造中的材料浪費,所以需要對其進行優(yōu)化。

2.3 主框架結構優(yōu)化

根據ANSYS優(yōu)化設計的要求,需要給出優(yōu)化過程中該鋪管船張緊器主框架的設計變量(DV)、狀態(tài)變量(SV)和目標函數(OBJ),如表1所示。

使用零階方法進行優(yōu)化,優(yōu)化循環(huán)出現收斂或中斷時終止,設置的最大迭代次數為20次。本例計算中循環(huán)17次后目標函數收斂,計算停止,其中部分參數的變化規(guī)律見圖3。從圖3可以看出,各設計變量時而變大時而變小,并無明顯規(guī)律,這是因為設計變量多,各個變量之間又相互聯系、相互制約,有時一個變量的減少會導致另一個變量的增大,而另一個變量的增大又會導致這個變量的減小,所以單純的從每一個變量的變化并不能得出合理的結果。

圖3 某鋪管船張緊器主框架部分參數變化規(guī)律

鋪管船張緊器主框架結構優(yōu)化的最終目標是在滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的情況下,得到框架的最小質量,也就是最小的體積。結合圖3(e)和各步計算結果,SET3、SET11、SET14、SET16較為理想,各參數的詳細情況如表2所示。

表1 某鋪管船張緊器主框架各變量設置情況

表2 某鋪管船張緊器主框架各變量優(yōu)化后各參數理想結果

表2中有4組數據,究竟選用哪一組作為最優(yōu)解,需要結合專業(yè)知識和張緊器的實際工作情況來決定。該鋪管船張緊器主框架結構中最長的立柱為3.178m,而截面較小,屬于細長桿,容易失穩(wěn)。SET11中,框架主梁寬度W 1為0.39m,壁厚為0.005 4m;SET14中,框架主梁寬度W 1為0.398m,壁厚為0.006 1m;SET16中,框架主梁寬度W 1為0.248m,壁厚為0.009 5m。可見,SET16相對尺寸更小,而且剛度也比較好,更重要的是此組數據體積最小,所以最終選擇SET16這組數據。但是觀察這組數據發(fā)現,上下框架連接板寬度W 4為0.203m,而立柱截面寬度為0.248m,由于上下連接板的作用是使上線框架在此處通過螺栓連接,所以W 4值應該大于立柱的截面尺寸,故需要做適當的調整。該鋪管船張緊器最終確定的參數和原設計數據的對比情況如表3所示。

按照表3中的最終尺寸重新建立主框架模型并進行有限元分析,結果如圖4所示。由圖4可知,該鋪管船張緊器主框架結構和尺寸都進行優(yōu)化后,最大應力為105 MPa,安全系數減小為3.29,比之前的7.81小了許多,考慮到張緊器的實際工作狀況,此安全系數是可以滿足海上鋪管作業(yè)要求的。由表3可知,優(yōu)化后張緊器主框架所用材料體積從1.482 8m3下降到了0.489 0m3,節(jié)省67%,極大地減輕了設備的質量,節(jié)約了海上鋪管作業(yè)資源。

表3 某鋪管船張緊器主框架各變量最終確定值和原始值對比

圖4 某鋪管船張緊器優(yōu)化后的主框架應力云圖

3 結束語

使用ANSYS結構優(yōu)化模型對某鋪管船張緊器主框架結構進行了優(yōu)化,以較小的鋼材用量實現了所需的工作能力,降低了海上鋪管作業(yè)的資源消耗,有助于實現鋪管船張緊器安全性與經濟性的平衡。海上施工的危險性很高,所以要求海上的作業(yè)設備有較高的安全系數。然而,海上設備承載、空間資源以及作業(yè)平臺的自持能力都是有限的,并且成本很高,因此,對于海上施工作業(yè)用的各種設備都應該進行合理的優(yōu)化,以實現資源的充分利用。

[1]孫亮,張士民,林立,等.海洋鋪管船用張緊器的總體設計[J].石油機械,2008,36(8):36-38.

[2]張俊亮,王曉波,林立,等.鋪管船用張緊器張緊系統(tǒng)分析[J].石油機械,2008,36(9):167-169.

[3]白寧.深水管道鋪設中托管架精細建模及滾輪支撐坐標計算[J].中國海上油氣,2011,23(6):420-427.

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[5]鄭貴良,程顯東.灘海鋪管船用張緊器[J].石油工程,1999,10(5): 35-37.

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Structure optimal design for themain frame ofpipe-layingship tensioner

Fu Li1 Zhang Di2 Xu Xingping3 Zhang Xin3 Wang Yanzhe3
(1.CNOOC Ener Tech-Drilling&Production Co., Tianjin,300452;2.China Offshore Oil Engineering Co.Ltd.,Tianjin,300452;3.Mechanic and Electronic Engineering College of China University of Petroleum, Shandong,266580)

Theprinciple ofpipe-layingship tensioner was analyzed and thestructure optimalmodel of itsmain frame was established.Themain frame was optimized bystructure optimizationmodule of ANSYS finite element analysissoftware.When the optimization was done,thesteel consumption of themain frame was reduced from 1.483m3to 0.489m3,reducing 67%;while thesafety coefficient was 3.29,and itstillmet the requests ofpipe-laying.The optimal idea andmethod adopted in thispaper could be used in the design of offshore engineering devices and have the guidingsignificance for the balance between economy andsafety for offshore construction.

pipe-layingship;tensioner;main frame;structure optimization;economy andsafety;ANSYS finite element analysis

2013-11-10改回日期:2014-04-10

(編輯:葉秋敏)

*中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目“復合材料連續(xù)管結構復合增強及失效機理研究(編號:14CX02129A)”部分研究成果。

付利,男,主要從事鉆完井工具及海洋石油裝備方面的研究。地址:天津市濱海新區(qū)經濟技術開發(fā)區(qū)第四大街科技發(fā)展中心2號樓(郵政編碼:300452)。E-mail:henanfuli@163.com。