海上风机导管架基础调平装置夹桩器结构分析.pdf

1、79CONSTRUCTION MACHINERY 2012.3设计计算DESIGN & CALCULATION海上风机导管架基础调平装置夹桩器结构分析乌建中，陈州全，李龙华（同济大学 机械工程学院 ， 上海 201804）摘要针 对 用 于 海 上 风 机 导 管 架 基 础 平 台 建 设 的 导 管 架 基 础 调 平 装 置 ， 在 夹 桩 器 结 构 设 计 分 析 过程 中 ， 采 用 ANSYS软 件 完 成 了 对 夹 桩 圈 强 度 和 刚 度 的 结 构 分 析 ， 利 用 集 中 载 荷 作 用 于 短 悬 臂 梁 和 间 断 式载 荷 作 用 于 薄 壁 结 构 的 应

2、力 分 析 方 法 对 夹 桩 器 压 块 在 满 足 夹 持 力 的 情 况 下 ， 对 压 块 齿 强 度 和 钢 管 桩 的 不均 匀 外 压 圆 柱 薄 壳 侧 压 稳 定 性 进 行 分 析 设 计 。 设 计 结 果 满 足 工 程 要 求 ， 整 个 分 析 过 程 和 得 到 的 结 果 ， 为海上风机基础调平装置的实际工程运用提供了理论依据。关键词海上风机调平装置；导管架；夹桩器；有限元；圆柱薄壳侧压稳定性中图分类号TU67 文献标识码B 文章编号1001-554X（2012）03-0079-05Structure analysis of off-shore wind tur

3、bine catheter frame foundation leveling pile jigWU Jian-zhong，CHEN Zhou-quan，LI Long-hua1 概述导 管 架 基 础 是 近 海 风 机 基 础 的 一 种 重 要 的 基础形式，导管架基础与钢管桩之间通过高强度灌浆材 料 连 接 后 固 定 于 海 底 1， 风 机 塔 筒 法 兰 与 导 管架 基 础 法 兰 用 螺 栓 连 接 ， 如 图 1所 示 。 为 了 保 证 风机 整 体 的 垂 直 度 ， 根 据 工 程 要 求 ， 导 管 架 基 础 法兰 面 水 平 度 应 控 制 在 0.025 以

4、内 2， 因 此 在 风 机导 管 架 基 础 安 装 过 程 中 需 采 用 专 用 调 平 装 置 对 其进 行 调 平 。 调 平 装 置 安 装 于 导 管 架 基 础 上 ， 如 图 2所示，通过调平装置上的调平油缸和夹桩器，使导管架基础与固定于海底的钢管桩之间能产生相对运动 ， 从 而 达 到 调 节 导 管 架 基 础 法 兰 面 水 平 度 的 目的。风机基础调节到允许误差范围内后，再利用夹桩器夹住钢管桩，使风机导管架基础保持水平与稳定，以保证在海浪或者风暴条件下风机基础与钢管桩之间不发生相对运动，也可保证灌浆结束后风机基础与钢管桩两者之间初凝结的高强度化学浆不受剪切力的损坏。

5、海上风机导管基础调平技术长期被国外专业公司垄断，目前该设备需从国外购买，费用昂贵，因此研究和开发具有自 主知识产权的调平装 置 对 降 低 海 上 风 电 安 装 成 本 具 有 重 要 意 义 3。调平装置中的夹桩器在导管架基础的调平过程中以及调平结束后导管架基础的固定都起到了非常重要的作用，因此设计合理的夹桩器结构是调平装置设计过程中的关键环节。风机法兰导管架基础钢桩套筒钢管桩图1 风机在导管架基础上的安装方式本 文 根 据 实 际 工 程 需 要 设 计 了 夹 桩 器 结 构 ，并 利 用 ANSYS软 件 建 立 有 限 元 模 型 并 进 行 结 构 分析，利用短悬臂梁应力分析方法

6、对夹桩器关键部件收稿日期 2011-10-31通讯地址 陈 州 全 ， 上 海 市 虹 口 区 曲 阳 路 920弄 17号 楼102室（200437）80建筑机械 2012.3（上半月刊）设计计算DESIGN & CALCULATION基础法兰调平装置钢桩套筒图2 调平装置在导管架基础上的安装方式压块的结构进行计算校核，然后对钢管桩进行不均匀外压圆柱薄壳侧压稳定性校核，以防止在夹桩器作用下钢管桩侧压失稳。所用的分析方法和分析结果可为夹桩器的实际工程应用提供理论依据。2 夹桩器结构及其有限元分析夹 桩 器 的 结 构 及 其 在 调 平 装 置 中 的 安 装 如 图 3所示，夹桩圈上均布4个

7、调平油缸和6个夹持油缸。夹 桩 器 由 导 向 袖 筒 、 夹 桩 圈 、 夹 持 油 缸 三 部 分 组成，夹持油缸的夹桩圈与导向袖筒焊接在一起，导向袖筒能保证插桩过程比较方便，夹桩圈用于安装夹持油缸。夹桩器工作时，在周向均布的夹持油缸的作用下，与活塞连接的压块压入钢管桩从而把钢管桩与调平装置连接，由于夹桩圈与导管架基础的钢桩套筒通过调平油缸连接，因此调平油缸的动作可实现钢管桩与导管架基础之间的相对运动。夹 桩 器 周 向 均 布 6个 夹 持 油 缸 ， 油 缸 活 塞 上 安装齿状压块，压块在活塞推动下嵌入管桩，提高了夹桩器的夹持力，夹持油缸的结构及其在夹桩圈上的 安 装 方 式 如 图

8、 4所 示 。 由 于 夹 桩 圈 需 承 受 钢 管 桩 对油缸较大的反作用力，而根据工程要求，夹桩圈最大 变 形 应 小 于 1mm， 因 此 需 设 计 结 构 合 理 的 夹 桩 圈与 油 缸 的 连 接 方 式 ， 并 对 其 进 行 强 度 和 刚 度 校 核 。导向器 夹持油缸 调平油缸夹桩圈钢桩套筒图3 夹桩器安装在调平装置上夹持油缸夹桩圈钢管桩钢管桩A挡圈压块活塞钢筒导向销A3:1图4 夹持油缸在夹桩圈上的安装方式81CONSTRUCTION MACHINERY 2012.3夹 桩 圈 在 圆 周 方 向 的 载 荷 与 材 料 分 布 具 有 相同的循环对称特征，可简化为循

9、环对称模型，对其中 一 个 扇 区 模 型 进 行 分 析 4， 利 用 ANSYS软 件 中的 APDL语 言 建 立 夹 桩 圈 的 扇 形 几 何 模 型 。 夹 桩 器夹 桩 圈 采 用 Q345材 料 ， 安 全 系 数 取 n=2。 由 于 夹 桩圈 的 变 形 和 应 力 都 较 大 ， 因 此 采 用 SOLID45单 元 对所建立的几何模型进行网格划分，夹持油缸几何模型网格划分结果如图5和图6所示。图5 夹桩圈的扇形几何模型图6 夹持油缸几何模型及网格划分为 了 真 实 模 拟 夹 桩 圈 的 受 力 情 况 ， 将 油 缸 模型装配到夹桩圈中。夹桩器在夹紧钢桩的过程中，夹桩

10、圈与油缸的连接螺栓仅起到定位作用，所以油缸的反作用力施加在油缸法兰与夹桩器夹桩圈接触的环形面积上，建立其面面接触单元，通过在油缸上施加夹持力来计算夹桩圈的应力和位移分布。根据导管架基础的自重和可能存在的附加载荷，夹桩 器 周 向 均 布 的 6个 夹 持 油 缸 要 求 能 承 受 共 2000kN的轴向静摩擦力，以保证夹持油缸与钢管桩之间不产 生 相 对 运 动 。 取 静 摩 擦 系 数 =0.45， 系 统 压 力25MPa， 油 缸 直 径 =200mm， 则 每 个 夹 持 器 产 生的静摩擦力 f为2 353.3kN2DfPP 0.72 0.51.5 cos 0.451 0.26(

11、 )2 ()W eat r e e beEV RG 5/2kp 3/210.92Ep kaaRG （1）在 ANSYS环 境 中 将 此 夹 持 力 施 加 到 油 缸 模 型中，可计算出油缸和夹桩圈节点应力云图和位移云图，如图7和图8所示。图7 夹桩圈的扩展Mises应力云图图8 夹桩圈的扩展位移云图从 ANSYS计 算 结 果 中 可 以 看 出 ， 发 生 在 夹桩 圈 与 夹 持 油 缸 接 触 边 缘 处 的 最 大 Mises应 力 为154MPa， 小 于 许 用 应 力 （ 172.5MPa） ， 发 生 在夹 桩 圈 与 夹 持 油 缸 接 触 边 缘 处 的 最 大 变 形

12、 位 移 为0.457mm1mm， 故 所 设 计 的 夹 桩 器 夹 桩 圈 整 体 结构强度和刚度满足设计要求。3 夹持器夹持油缸压块的设计压 块 是 夹 桩 器 中 的 关 键 部 件 ， 合 理 的 压 块 结构可降低应力集中，提高压块强度和刚度，延长压82建筑机械 2012.3（上半月刊）设计计算DESIGN & CALCULATION块使用寿命。所设计的压块结构简图如图9所示。BWRHL图9 夹桩器压块齿结构简图夹 桩 器 压 块 的 材 料 选 用 合 金 结 构 钢 20CrMo，弹 性 模 量 E=200GPa， 泊 松 比 =0.3， 屈 服 强 度S=685MPa， 安

13、全 系 数 取 n=2。 压 块 的 设 计 尺 寸为 ： 齿 根 厚 度 H=36mm， 齿 高 L=20mm， 齿 根 过 渡弧 线 的 曲 率 半 径 R=7mm。 夹 持 器 压 块 受 力 情 况 ，简单弯曲理论所依据的应力为线性分布的假设已不再适用，可近似参照长度非常短且底部横截面比较大 的 梁 来 分 析 5。 当 集 中 载 荷 作 用 于 非 常 短 的 悬臂梁或突出部分（齿轮轮齿、锯齿、螺纹）时，所产生的应力为62 353.3kN2DfPP 0.72 0.51.5 cos 0.451 0.26( )2 ()W eat r e e beEV RG 5/2kp 3/210.92

14、Ep kaaRG （2）式中 W当量载荷；t梁的厚度170mm；e 梁 根 部 至 梁 轴 的 垂 直 距 离 ，2H2L18mm；r梁根部圆角半径， r=7mm；a 梁 根 部 至 当 量 载 荷 的 垂 直 距 离 ，2H2L= 10mm； 当量载荷与梁轴的夹角， =90 ；b 梁 根 部 至 当 量 载 荷 作 用 点 的 直 线 距离，2H2L=10mm。由 上 述 参 数 可 得 每 个 夹 持 器 的 静 摩 擦 力f=353.3kN， 即 当 量 载 荷 W=353.3kN， 将 尺 寸 和 载荷 代 入 式 （ 2） ， 得 =106.943MPa， 小 于 许 用 应力 （

15、342.5MPa） ， 表 明 压 块 的 结 构 尺 寸 满 足 设 计要求。4 夹桩器作用下钢管桩的稳定性分析夹 桩 器 作 用 下 钢 管 桩 受 力 情 况 如 图 10所 示 。由 图 可 知 ， 钢 管 桩 受 沿 周 向 间 断 载 荷 作 用 ， 将载 荷 按 偏 安 全 折 算 为 间 断 式 矩 形 均 布 载 荷 。 根据 工 程 要 求 ， 钢 管 桩 的 半 径 R=1100mm， 厚 度 =35mm。 根 据 钢 管 桩 的 受 力 情 况 ， 间 断 式 载 荷距离 d=1151mm，加载区沿轴向长度 a1=170mm，加载区域面积 S=a12=28900mm2。

16、ppdRa1图10 钢管桩受力简图83CONSTRUCTION MACHINERY 2012.3间断式载荷作用在钢管桩上，当 d2 353.3kN2DfPP 0.72 0.51.5 cos 0.451 0.26( )2 ()W eat r e e beEV RG 5/2kp 3/210.92Ep kaaRG ，钢管 桩 失 稳 的 临 界 载 荷 pkp可 按 不 均 匀 外 压 作 用 下 圆柱薄壳侧压稳定性的判定公式确定7pkp2 353.3kN2DfPP 0.72 0.51.5 cos 0.451 0.26( )2 ()W eat r e e beEV RG 5/2kp 3/210.92

17、EkaaRG （3）式中 k与壳长有关的常数；E薄壳材料的杨氏模量； 薄壳壁厚；a1加载区沿轴向长度；a与加载方式有关的常数。因 为 d=1151mm， 大 于2 353.3kN2DfPP 0.72 0.51.5 cos 0.451 0.26( )2 ()W eat r e e beEV RG 5/2kp 3/210.92Ep kaaRG =196.2mm， 所 以可 以 把 每 一 个 加 载 面 上 的 载 荷 看 成 是 与 夹 角 无关 的 单 独 的 集 中 载 荷 ， 其 临 界 压 力 可 按 式 （ 3） 计算 ， 取 k=0.5、 a=0.51， 可 计 算 出 钢 管 桩

18、失 稳 的 临界载荷 pkp=54.83MPa。夹紧油缸需提供的加持力F=pkpS=1584.587kN785.2kN计算结果满足稳定性要求。5 结论根 据 海 上 风 机 基 础 调 平 装 置 的 功 能 进 行 结构 设 计 ， 对 其 中 夹 桩 器 结 构 进 行 受 力 分 析 。 利 用ANSYS软 件 进 行 夹 桩 器 的 结 构 建 模 及 应 力 应 变 分析，得到了夹桩器夹桩圈的最大受力值和最大变形值，验证了钢圈结构能够满足强度和刚度要求；利用集中载荷作用于短悬臂梁和间断式载荷作用于薄壁结构的应力分析方法，分析夹桩器压块在满足夹持力的情况下压块的强度和钢管桩的稳定性；验

19、证了在间断式局部载荷的作用下，钢管桩失稳前夹桩器夹持力能达到夹持要求，在该夹持力作用下，压块的强度满足设计要求。与 传 统 的 设 计 计 算 相 比 ， 采 用 有 限 元 分 析 方法对海上风机基 础调平装置的结构进行理论分析并校核其强度和刚度，分析计算的结果精确并且可缩短大量设计时间，节省产品的开发周期和降低设计成本。参考文献1 侯 金 林 . 导 管 架 调 平 与 灌 浆 系 统 J . 中 国 海 上 油 气（工程），2000，15（1）：12-14.2 王 建 龙 . 浅 谈 浅 海 海 桩 基 导 管 架 式 采 油 平 台 的 施 工 方案J. 海洋技术，2006，（25）：

20、116-121.3 朱 绍 华 . 文 昌 油 田 深 水 导 管 架 安 装 技 术 J . 中 国 海上油气（工程），2003，15（1）：12-14.4 曾 攀 ， 雷 丽 萍 ， 方 刚 . 基 于 ANSYS平 台 有 限 元 分 析 手册 ： 结 构 的 建 模 与 分 析 M . 北 京 ： 机 械 工 业 出 版社，2011：12-19.5 陈 秀 宁 ， 丁 红 钢 ， 卫 世 俊 . 渐 开 线 齿 轮 齿 根 过 度 曲 线的 优 化 研 究 J . 中 国 机 械 工 程 ， 1995， 6（ 2） ：59-60.6 W.杨，R.步迪纳斯. 罗氏应力应变公式手册M. 北

21、京：科学出版社，2005：88- 92.7 B.T.利 津 ， B.A.皮 亚 特 金 . 薄 壁 结 构 设 计 M . 北京：国防工业出版社，1983:290-303.（上接第75页）4 结论本 文 通 过 对 自 行 式 高 空 作 业 车 执 行 装 置 折 叠 臂 的 动 态 特 性 即 折 叠 臂 的 模 态 分 析 和 动 力 学仿 真 分 析 后 得 出 如 下 结 论 ： 折 叠 臂 的 振 型 主 要 表现 为 弯 曲 和 扭 曲 ， 但 固 有 频 率 较 大 ， 说 明 相 应 方向 上 的 刚 度 较 大 ， 满 足 设 计 要 求 ； 折 叠 臂 的 工 作平 台

22、和 小 臂 连 接 处 的 强 度 和 刚 度 较 弱 ， 为 折 叠 臂的 危 险 部 位 ； 折 叠 臂 在 整 个 工 作 过 程 中 ， 运 动 非常 平 稳 ， 能 够 将 工 作 人 员 和 设 备 等 运 送 到 指 定 的空 间 位 置 。参考文献1 管 迪 华 . 模 态 分 析 技 术 M . 清 华 大 学 出 版 社 ，1996：2-3.2 陈 洪 飞 ， 蒋 红 旗 . 高 空 作 业 车 作 业 臂 动 力 特 性 分 析J. 机械研究与应用，2008，21（1）.3 Frank McKenna，Michael H. Scott，Gregory L. Fenves. Nonlinear Finite-Element Analysis Software Architecture Using Object Composition J . Journal Of Computing In Civil Engineering，ASCE，2010 （ 95）：2-3.4 李 军 . ADAMS实 例 教 程 M. 北 京 理 工 大 学 出 版 社 ，2002，（7）：1-2.