陳曉娟，馬美琴

（1.河北省深海樁基配套裝備技術創(chuàng)新中心，河北 衡水 053000；2.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000）

樁腿對接緩沖器（LMU）主要應用于樁柱式海洋平臺、單柱式深海平臺和近海風車等上部結構的安裝，是一種新型的用于樁腿對接的緩沖裝置[1-4]。

在樁腿的對接安裝過程中，LMU的主要作用為減小上下部結構間的撞擊力和限制上下部結構間的相對位移。為保證導管架樁腿結構在安裝過程中不受破壞，目前一般在LMU中設置橡膠構件以吸收樁基能量和減小撞擊力，從而使樁腿的對接定位過程順利進行[5-9]。為了保證橡膠構件在水平方向的各角度減震水平相同，需要將LMU設計成整環(huán)結構。由于整環(huán)結構的LMU安裝難度較大，因此采用尺寸相同的獨立橡膠構件沿LMU鋼筒的圓周方向均勻布置以在理論上能滿足LMU的減震功能的要求，但是對于獨立橡膠構件的尺寸需要進行詳細的設計。

本工作對LMU內(nèi)水平緩沖件（HE）進行了有限元分析和計算，以期提高LMU的減震效果。

1 有限元仿真

1.1 三維模型的建立

根據(jù)HE的建議尺寸及組合LMU產(chǎn)品（包括鋼筒及其內(nèi)部沿圓周方向均勻分布的12個HE，以下簡稱產(chǎn)品）平面圖，通過CATIA軟件創(chuàng)建了產(chǎn)品的三維模型[10-11]。因HE與鋼筒需要通過螺栓連接，在HE靠鋼筒的一端設置一層連接用的鋼板，鋼板與HE之間進行粘接。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用CATIA軟件先將產(chǎn)品的三維模型另存為STP格式，然后將模型導入到Hypermesh軟件中以劃分網(wǎng)格（見圖1）。網(wǎng)格劃分中橡膠材料設為不可壓縮材料，使用雜交單元C3D8H（計算更容易收斂）；金屬材料使用非協(xié)調(diào)單元C3D8R；由于鋼板與HE之間粘接，HE與內(nèi)嵌鋼板的網(wǎng)格節(jié)點重合[12]。

圖1 產(chǎn)品的鋼筒和12個HE的有限元網(wǎng)格Fig.1 Finite element grids of product steel cylinder and 12 HE

1.3 施加載荷工況和選用材料模型

1.3.1 施加載荷工況

將Hypermesh軟件中劃分的產(chǎn)品網(wǎng)格以inp格式導入到Abaqus軟件中，設置好邊界條件和約束，施加位移載荷。

在產(chǎn)品圓心位置建立一個參考點，創(chuàng)建運動耦合約束，使參考點與HE耦合在一起，類似剛性焊接（見圖2）。同步處理后，在計算過程中將對產(chǎn)品的計算工況施加到參考點上以避免錯誤選擇作用面，使計算工況施加更精準。

圖2 耦合約束Fig.2 Coupling constraint

HE與鋼筒之間有10 mm的間隙，隨著HE徑向移動，間隙消除，HE與鋼筒產(chǎn)生接觸。因此，HE和鋼筒之間需要建立接觸約束，定義接觸的切向行為和法向行為。

1.3.2 選用材料模型

本工作HE的材料為聚氨酯材料（萬華化學股份有限公司產(chǎn)品，剛度為709 kN@50 mm，即在709 kN的壓力會產(chǎn)生50 mm的壓縮位移，如無特殊說明，下同），對其進行單軸拉伸試驗，試驗曲線及各本構模型擬合曲線[13-16]如圖3所示。

圖3 聚氨酯材料的試驗曲線及各本構模型擬合曲線Fig.3 Test curve and various constitutive model fitting curves of polyurethane materials

從圖3可以看出：對于聚氨酯材料，應力和應變的試驗數(shù)據(jù)只有正值；在應變大于0時，除了Neoh模型外，其他5種本構模型均擬合較好；在應變小于0時，各本構模型相差較大，其應力絕對值從大到小依次為：Ogden 3，Ogden 2，Mooney Rivlin，Van Der，Yeoh和Neoh；Yeoh模型擬合曲線與試驗曲線最接近，擬合程度高，故本工作采用Yeoh模型作為HE的聚氨酯材料本構模型。

2 結果與討論

2.1 計算參數(shù)的選取

2.1.1 泊松比

泊松比是指材料在單向拉伸或壓縮時，橫向應變與軸向應變絕對值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。超彈性材料的泊松比一般在0.450～0.499之間，完全不可壓縮材料的泊松比為0.5。為了探究HE材料的泊松比對HE仿真剛度的影響，在Abaqus軟件中分別賦予HE材料不同的泊松比，采用Yeoh本構模型，計算單個HE的剛度。HE的剛度-泊松比曲線如圖4所示。

圖4 HE的剛度-泊松比曲線Fig.4 Stiffness-Poisson’s ratio curve of HE

從圖4可以看出，HE材料的泊松比越大，HE的剛度越大，但是增幅較小。本工作HE材料的泊松比取0.49[12]。

2.1.2 HE的摩擦因數(shù)（相對于鋼筒內(nèi)壁）

分別計算不同摩擦因數(shù)的HE的剛度，其與摩擦因數(shù)的曲線如圖5所示。

圖5 HE的剛度-摩擦因數(shù)曲線Fig.5 Stiffness-friction coefficient curve of HE

從圖5可以看出：摩擦因數(shù)從0開始增大時，HE的剛度變化較大；當摩擦因數(shù)大于0.3后，HE的剛度變化不大，因為摩擦力達到極限后，HE與鋼筒之間幾乎沒有相對滑動，HE的剛度幾乎不再隨摩擦因數(shù)的增大而改變。

不同摩擦因數(shù)的HE的應變云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，HE的摩擦因數(shù)越大，HE與鋼筒內(nèi)壁間產(chǎn)生的摩擦力越大，約束了HE在鋼筒內(nèi)壁的延伸和變形，從而增大了HE的剛度。

因此，HE的摩擦因數(shù)對剛度有一定的影響，在HE裝配完成后，須在HE的表面涂抹一定的潤滑脂以減小其與樁腿間的摩擦因數(shù)。本工作HE的摩擦因數(shù)取0.07[12]。

2.2 產(chǎn)品的剛度調(diào)整

產(chǎn)品內(nèi)HE的整體工況隨船體、海況不同而不同，需要進行定制化設計。本工作根據(jù)工程上較多要求的產(chǎn)品的剛度（4 900 kN@50 mm）進行設計。由于選用的HE的剛度很小（709 kN@50 mm），需要對產(chǎn)品的剛度進行調(diào)整以滿足設計要求。

目前，增大產(chǎn)品的剛度方式主要有：擴大產(chǎn)品的外觀尺寸，增大產(chǎn)品的形狀系數(shù)；保持產(chǎn)品的尺寸不變，在產(chǎn)品內(nèi)部增加骨架材料，通過調(diào)整骨架材料的類別、分布等調(diào)整產(chǎn)品的剛度；維持產(chǎn)品的尺寸不變，更換較高彈性模量的彈性材料。

2.2.1 改變HE的結構

在HE原結構中，底部鋼板是安裝時用的，尺寸和位置不變。在HE原結構中另嵌入鋼板，改變嵌入鋼板的尺寸和位置以調(diào)整HE的剛度。嵌入鋼板的HE結構如圖7所示，其中R1和R2分別為中層和上層鋼板的曲率半徑，邊距為外層鋼板邊緣到HE聚氨酯材料邊緣的距離。

在滿足邊距為20 mm以上的條件下，改變鋼板的數(shù)量、位置和厚度，分別計算HE的剛度，結果如表1所示。

表1 嵌入鋼板的HE剛度Tab.1 Stiffnesses of HE embedded steel plates

從表1可以看出，方案5的HE剛度為4 811.8 kN，接近4 900 kN@50 mm的要求。因此，在HE原結構中嵌入兩層鋼板，可以提高產(chǎn)品的剛度。

2.2.2 改變HE的材料特質(zhì)

選用定伸應力較大的聚氨酯材料，以使HE的剛度滿足要求。將所用聚氨酯材料的應力-應變曲線導入Abaqus軟件中，可以計算單個HE的剛度。

2.2.3 HE的整體剛度

采用選定的HE的材料本構模型計算HE的整體剛度。由于12個HE一起運動，需要將它們分別與參考點建立耦合約束。產(chǎn)品整體均勻設置后的布置工況及加載后的位移云圖如圖8所示。

圖8 HE的整體仿真結果Fig.8 Overall simulation results of HE

采用不同彈性模量聚氨酯材料的HE的整體剛度和單個剛度如表2所示。

表2 采用不同彈性模量聚氨酯材料的HE的剛度Tab.2 Stiffnesses of HE using polyurethane materials with different elastic moduli

經(jīng)過分析，HE的整體剛度與單個剛度之間存在一定的比例關系（見表3），可以用于后續(xù)產(chǎn)品的檢測中，通過檢測HE的單個剛度實現(xiàn)對產(chǎn)品的整體剛度的推算。

表3 HE的整體剛度與單個剛度的比例系數(shù)Tab.3 Ratio coefficients of overall stiffnesses to single stiffnesses of HE

2.2.4 不同工況下產(chǎn)品的剛度

對于沿鋼筒圓周方向均勻布置安裝的多個HE，由于樁腿與HE接觸的數(shù)量不同，各HE的作用反力不同。為了保證產(chǎn)品在使用過程中多個均勻分布的HE提供的各方向反力盡量穩(wěn)定一致，需要對加載位置引起的HE的反力偏差進行兩個極端位置（單個HE的正向和兩個HE的中間位置）的計算。加載工況如下：工況1是位移沿著X軸方向，即徑向壓縮位移方向正好落在1個HE的中心；工況2是位移與X軸成45°，即徑向壓縮位移方向落在2個HE中間。在兩種工況下、HE的壓縮位移為50 mm時，產(chǎn)品的應變云圖如圖9所示。

從圖9可以得出，在工況1下產(chǎn)品的剛度為5 144.61 kN，在工況2下產(chǎn)品的剛度為5 042.88 kN。從理論計算可知，相對于工況1，在工況2下產(chǎn)品的剛度偏差為1.98%，即滿足工況1要求的HE的剛度一般也適合于工況2的要求。因此采用12個HE沿鋼筒均勻分布的設計可滿足產(chǎn)品的工程剛度要求。

3 結論

本工作對LMU（產(chǎn)品）內(nèi)HE進行了有限元分析和計算，得出如下結論。

（1）HE材料的泊松比越大，HE的剛度越大，但變化幅度較小；HE的摩擦因數(shù)對其剛度有一定的影響，在HE裝配完成后，須在其表面涂抹一定的潤滑脂以減小其與樁腿的摩擦因數(shù)。

（2）在HE中嵌入鋼板并改變鋼板的尺寸和位置以及HE的材料特質(zhì)可以提高產(chǎn)品的剛度。

（3）采用12個HE沿鋼筒圓周方向均勻分布的設計可滿足產(chǎn)品的工程剛度要求，在兩種極端工況下產(chǎn)品的剛度偏差在1.98%之內(nèi)。

該研究可以提高LMU的減震效果，有利于導管架樁腿結構在安裝過程中不受破壞。