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自升式鉆井平臺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，平臺鎖緊系統(tǒng)是自升式鉆井平臺的關鍵核心部件。對于鎖緊裝置而言，安全可靠性設計是極其重要的環(huán)節(jié)，研制性能良好的鎖緊裝置對于平臺的安全穩(wěn)定起關鍵作用。因此，需要設計出合理的結(jié)構(gòu)，選取合適的零部件材料，采取適宜的計算方法，來驗證鎖緊系統(tǒng)在實際作業(yè)工況中能否達到使用要求。
同以前的鎖緊機構(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。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險，也使得設計人員在研發(fā)初期就能對鎖緊系統(tǒng)的整體性有進一步的理性認識。
六面體單元是擁有局部和整體兩個坐標系的三維單元，可用線性函數(shù)描述。其基本參數(shù)如應力、應變等與彈性模量E和泊松比μ有關聯(lián)，每個六面體單元有8個節(jié)點且每個節(jié)點有3個自由度。
將整體離散成有限個微分體dxdydz任取一個來探討應力-應變之間的關系。整體在外部載荷的作用下，體內(nèi)任一點的應力狀態(tài)由6個應力分σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx來表示。
由彈性力學可知，彈性體內(nèi)任取一點處的應力、應變和位移間的關系可根據(jù)公式描述出。在單個單元剛度方程的基礎上，通過集成得到整體剛度方程，在此基礎上進行整體結(jié)構(gòu)有限元分析。集成的原則是相鄰單元間在共用節(jié)點處的位移也相同。根據(jù)得出的節(jié)點位移，代入公式，并計算，即可得到相應單元節(jié)點的應變和應力。
有限元軟件自身的建模功能與專業(yè)的三維繪圖軟件對比而言，其功能相對單一，但均與各繪圖軟件有著良好的接口程序，因此鎖緊系統(tǒng)實體模型采用UG進行建模，之后導入ABAQUS軟件中將模型進行規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分，以提高分析計算結(jié)果的精度。確保模型在分析計算過程中能夠達到所需精度的前提下，將實體結(jié)構(gòu)中的部分細小倒角，螺栓孔等對整體強度影響較小的結(jié)構(gòu)進行簡化處理，以縮短不必要的計算時間。以ABAQUS軟件的非線性分析模塊作為分析平臺，對鎖緊系統(tǒng)加載極限載荷的工況下進行極限強度分析，并對計算結(jié)果進行必要的后處理。
在對鎖緊系統(tǒng)進行強度分析的同時，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如鎖緊齒條、壓塊等鎖緊裝置中的關鍵部件進行建模，盡量做到與實際情況相一致，從而減少因外部條件改變造成的計算誤差。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力大小和分布事先是未知的，將整個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。
前處理在整個有限元分析過程中所花費的時間和精力是最多的，占整個過程70%左右。而前處理過程中，有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量對于求解的精度和準確度有著決定性的影響。前處理的效率高低以及質(zhì)量好壞對整個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)果更為準確，在接觸起作用的同時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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