CN115455777B - 含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法，该强度评估方法包括：建立含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统体单元有限元模型；通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行非线性求解；在特定的点和面上加载极限组合工况；最后求解得到连接系统轴承销轴部位和板架结构的最大应力及发生位置，从而实现含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估。本发明考虑非线性接触，并通过罚函数计算方法及海上复杂工况下加载模式，对含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统强度进行评估，评估结果更加准确；本发明同样适用于其他类似的大型复杂构型连接系统的强度评估，适用性强。

Description

含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法

技术领域

本发明涉及强度评估方法，具体涉及大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法，尤其是含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法。

背景技术

连接系统是大型海上浮式结构的薄弱环节，以带有周边板架结构的大型海上复杂构型连接系统为例，其整体由多组凹凸式结构配对而成，包括多组轴承销轴、轴承基座和板架结构，在该连接系统中存在两种接触形式，分别为初始状态就接触的轴承和销轴接触对，及在服役过程中有可能接触的凹凸接触对。在复杂的海洋环境下，该连接系统需承受较为复杂的载荷，包括在服役过程中复杂海况下所产生的不同方向的力和不同形式的弯矩，如何有效评估该复杂构型连接系统的强度是亟待解决的问题。目前，对于含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度分析，通常仅对轴承轴销的接触进行单独分析，这样会造成接触部位计算结果与实际不相符的情况，影响系统整体结构强度的评估精度。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种可对带有周边板架结构含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统强度进行准确评估的方法。

技术方案：本发明提供含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法，包括：通过体单元，建立含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的有限元模型；将销轴的轴线与有限元模型纵向中心面的交点作为加载点，将有限元模型的一个端面作为加载面；针对不同的接触区域，定义接触的初始状态，保留接触区域间的间隙大小，接触间隙大于等于0时，通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解；加载极限组合工况下的力和弯矩，其中力载荷作用在加载点上，弯矩载荷作用在加载面上；通过求解得到连接系统轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力及发生位置，实现含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估。

实际的服役环境包括多方向和多形式的载荷，连接系统加载点的位置设置应避免对轴承销轴初始状态下受力不均匀的影响；本发明通过建立复杂构型连接器的有限元模型，考虑非线性接触效应和多种接触形式，然后基于罚函数法，并通过加载极限组合工况下的力和弯矩载荷，对含有多组轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统进行强度评估，评估结果更为准确。

进一步地，含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统含有多形式的接触，除考虑连接系统轴承和销轴间的接触外，还考虑在整个服役过程中可能产生的其它接触，如在复杂海况下产生的凹凸式接触对，接触区域间隙一般大于等于0；

接触问题都伴随着较强的非线性特征，需要使连接系统外载荷Q与接触应力p在变形接触区域A_c的应力达到平衡，接触问题的具体平衡方程式为：

x,y表示横、纵坐标；

接触区域往往以非线性的形式呈现，通过将变形接触区域A_c和材料杨氏模量E、泊松比v以及初始间隙Z这些因素，与外载荷Q进行变形协调以达到平衡；变形协调方程为：

E₁、E₂分别代表两个接触体的杨氏模量，v₁、v₂别代表两个接触体的泊松比，δ代表接触区域处的弹性趋近量；

接触问题的关键在于明确物体间的接触状态，罚函数法是解决摩擦接触问题的有效方法之一，其依据能量最小原理，把系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解，系统势能的大小直接影响着结构的强度大小，即载荷向量转化为系统势能：

∏为系统势能，U为复杂构型连接系统的位移向量，K为复杂构型连接系统的刚度矩阵，F为复杂构型连接系统的所受的荷载向量。

进一步地，罚函数法求解含有多组轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统这类较复杂的接触问题，往往会产生一定的约束极值化问题，产生病态方程。为此，罚函数法中加入惩罚因子，这样能够使罚函数有较好的适用性，能够以较高的精度计算出结构的系统势能。

进一步地，对于复杂环境载荷下且存在多种接触形式的大型海上复杂构型连接系统而言，通过极限组合工况下的力和弯矩载荷进行加载，力载荷作用在加载点上，弯矩载荷作用在加载面上，结构的位移和响应不在是线性的变化。为此，通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题时，引入准静态法参与有限元相关的数值模拟，使载荷缓慢加载，对结构进行动态求解，进而得到轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力。

进一步地，准静态法是采用中心差分法对结构动态求解的过程，通过定义载荷缓慢加载，把计算分为若干步，每次计算对刚度进行更新及迭代，确保了加载过程中两接触体力的传递与外载荷Q达到一个平衡，运动方程为：

Ma＝P-I

M为复杂构型连接系统的质量矩阵；a为加载在复杂构型连接系统的加速度列阵；P为作用在复杂构型连接系统的载荷列阵；I为上复杂构型连接系统承受载荷时的内力列阵。

进一步地，当含有多组轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统具有2000以上的大尺度比时，采用高阶体单元建立有限元模型。

进一步地，有限元模型采用结构钢材料的非线性属性。

进一步地，加载时，力和力矩分别施加在特定的加载点和加载面上，与加载面相对的另一端面作为约束端。

进一步地，计算出连接系统轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力及发生位置后，以连接系统的结构等效应力不大于许用应力进行连接系统整体强度评估。

本发明考虑多种形式的非线性接触效应，采用罚函数法、准静态有限元法和极限组合工况加载模式进行耦合计算和分析，能够更加准确地评估大型海上复杂构型连接系统的强度。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：本发明考虑多种形式的非线性接触，并通过罚函数法及复杂工况加载模式对大型海上复杂构型连接系统强度进行评估，所评估的屈服强度更加准确。本发明同样适用于其他类似的大型复杂构型连接系统的强度评估，适用性强。

附图说明

图1是实施例中，含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统整体的结构示意图；

图2是连接系统轴承和销轴以及凹凸接触对的接触区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法，包括如下的步骤：

连接系统如图1所示，其中沿8个轴承孔轴线方向为Y轴，连接系统纵向中心面与Y轴的交点为坐标原点O，X轴经过原点O并垂直于Y轴，Z轴垂直于XOY平面。

连接系统有限元模型长为50m、宽为9.8m、高为8.6m，板架的厚度为24mm，尺度比为2083。有限元模型为凹凸结构形式，铰接部位为8组轴承销轴对S1～S8。因此，在数值计算过程中需充分考虑模型结构自身的特点，进行合理的有限元建模和载荷加载。

通常情况下，大型海上平台结构采用体壳结合单元进行有限元建模，可提高建模和计算效率。然而，大型海上复杂构型连接系统主要由轴承、销轴、基座和大量板架构成，如采用体壳结合的建模方式，但在操作过程中，体壳连接部分的设置较为复杂，建模工作量也比较大，而且体壳交接及附近的应力计算结果也有较大误差，特别是存在多种接触形式的情况下，可能导致很难计算出合理结果。因此，综合考虑以上因素，所以本实施例的大型海上复杂构型连接系系统采用体单元建立。

建模时，对连接结构几何模型进行网格划分，有限元整体模型采用高阶(Quadratic)四面体10节点单元整体建模，单元数为2886301个；节点数5566940个，其中轴承与销轴接触处的网格大小约为30mm，其余部分的网格大小约为160mm。考虑高强度钢材料的非线性属性。

通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解，连接系统加载在服役过程中极限组合工况下的力和弯矩，其中力载荷作用在加载点上，而弯矩载荷作用在加载面上，同时引入准静态法；通过求解得到的轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力及发生位置，实现系统强度评估。

具体地，大型海上复杂构型连接系统含有多形式的接触，除考虑销轴A₁和轴承A₂间的接触外；还应当考虑在整个服役过程中系统模块B₁和B₂间在复杂海况下有可能产生的接触，如图2所示。接触问题都伴随着较强的非线性特征，需要使外载荷Q与接触应力p在变形接触区域A_c的应力达到平衡，接触问题的具体平衡方程式为：

x,y表示横、纵坐标。

接触区域往往以非线性的形式呈现，通过变形接触区域A_c和材料杨氏模量E、泊松比v以及初始间距Z这些因素，与外载荷Q进行变形协调以达到平衡。变形协调方程为：

E₁、E₂分别代表两个接触体的杨氏模量，v₁、v₂别代表两个接触体的泊松比,δ代表接触区域处的弹性趋近量。

接触问题的关键在于明确物体间的接触状态，罚函数法是解决摩擦接触问题的有效方法之一，其依据能量最小原理，把系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解，系统势能的大小直接影响着结构的强度大小，即载荷向量转化为系统势能：

Π为系统势能，U为复杂构型连接系统的位移向量，K为复杂构型连接系统的刚度矩阵，F为复杂构型连接系统的所受的荷载向量。

罚函数法求解大型海上复杂构型连接系统这类较复杂的接触问题，往往会产生一定的约束极值问题，产生病态方程。本实施例罚函数法中加入惩罚因子，惩罚因子设定为0.1，接触探测采用高斯积分点，积分点未渗入目标面，能够使罚函数有较好的适用性，并以较高的精度计算出结构的系统势能。

准静态法是采用中心差分法对结构动态求解的过程，通过定义载荷缓慢加载，把计算分为若干步，每次计算对刚度进行更新及迭代，确保了加载过程中两接触体间力的传递与外载荷Q达到一个平衡，运动方程为：

Ma＝P-I

M为复杂构型连接系统的质量矩阵；a为加载在复杂构型连接系统的加速度列阵；P为作用在复杂构型连接系统的载荷列阵；I为上复杂构型连接系统承受载荷时的内力列阵。

在加载载荷时，将连接系统销轴的轴线与有限元模型纵向中心面(图1)的交点O(坐标原点)作为加载点，将有限元模型的其中一个端面作为加载面，与加载面相对的另一端面作为约束端。将X、Y和Z三个方向的力作用在加载点上，将绕X和Z轴的弯矩作用在加载面上进行计算分析。

通过上述的方法进行有限元数值计算，分别获得轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力及发生位置，将最大应力与材料的许用应力进行比较，最终实现含有多组轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估。

Claims (8)

1.含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估方法，其特征在于，包括：通过体单元，建立含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的有限元模型；将销轴的轴线与有限元模型纵向中心面的交点作为加载点，将有限元模型的一个端面作为加载面；针对不同的接触区域，定义接触的初始状态，保留接触区域间的间隙大小，接触间隙大于等于0时，通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解；加载极限组合工况下的力和弯矩，其中力载荷作用在加载点上，弯矩载荷作用在加载面上；通过求解得到连接系统轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力及发生位置，实现含轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统的强度评估；

通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题时，引入准静态法。

2.根据权利要求1所述的强度评估方法，其特征在于，通过罚函数法将系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解，包括：

接触区域的选定，除考虑连接系统轴承和销轴间的接触外，还考虑系统模块间在复杂海况下产生的接触，接触区域间隙大于等于0；

使连接系统外载荷Q与接触应力p在变形接触区域A_c的应力达到平衡，平衡方程式为：

x,y表示横、纵坐标；

将变形接触区域A_c和材料杨氏模量E、泊松比v以及初始间隙Z这些因素，与外载荷Q进行变形协调以达到平衡；变形协调方程为：

E₁、E₂分别代表两个接触体的杨氏模量，v₁、v₂分别代表两个接触体的泊松比，δ代表接触区域处的弹性趋近量；

将系统接触问题转变为系统势能最小化问题进行求解，即载荷向量转化为系统势能：

П为系统势能，U为复杂构型连接系统的位移向量，K为复杂构型连接系统的刚度矩阵，F为复杂构型连接系统的所受的荷载向量。

3.根据权利要求2所述的强度评估方法，其特征在于，罚函数法中加入惩罚因子。

4.根据权利要求1所述的强度评估方法，其特征在于，引入准静态法后的运动方程为：

Ma＝P-I

M为复杂构型连接系统的质量矩阵；a为加载在复杂构型连接系统上的加速度列阵；P为作用在连接系统上的载荷列阵；I为复杂构型连接系统承受载荷时的内力列阵。

5.根据权利要求1所述的强度评估方法，其特征在于，当含有多组轴承轴销的大型海上复杂构型连接系统具有2000以上的大尺度比时，采用高阶体单元建立有限元模型。

6.根据权利要求1所述的强度评估方法，其特征在于，有限元模型采用非线性结构钢材料。

7.根据权利要求1所述的强度评估方法，其特征在于，加载时，与加载面相对的另一端面作为约束端。

8.根据权利要求1所述的强度评估方法，其特征在于，计算出连接系统轴承销轴部位的最大应力和板架结构的最大应力及发生位置后，以连接系统的结构最大等效应力不大于许用应力进行连接系统整体强度评估。

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