超大型海上浮式基地柔性连接器设计及强度分析

朱璇，刘超，祁恩荣，王德禹（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海0040；中国船舶科学研究中心，江苏无锡408）

超大型海上浮式基地柔性连接器设计及强度分析

朱璇1，刘超2，祁恩荣2，王德禹1
（1上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240；2中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）

超大型海上浮式基地（VLFB）连接器的设计是VLFB设计过程中非常关键的环节。文章采用Sesam/GeniE建立VLFB模块水动力模型，计算出不同刚度连接器在4个海况下的最大载荷值，选取了合适的连接器刚度，并计算出此刚度下的连接器在5个海况下不同浪向角的连接器载荷，选取7级海况45°浪向角的载荷作为设计载荷值，提出了一种柔性连接器的设计方案，并用Abaqus建模进行非线性分析，结果表明方案符合设计要求，为VLFB连接器的设计提供了参考。

超大型浮体；柔性连接器设计；非线性；有限元

1 引言

随着我国的经济发展，我国所需的资源越来越依赖进口，海上运输通道的畅通对我国国民经济的发展至关重要。超大型海上浮式基地（VLFB）是一种尺度以公里计的海上浮式结构物[1]，现在已成为海洋工程界的一个研究热点。VLFB可以作为海上军事基地，为各类直升机和固定翼飞机提供起降平台、各种补给、导航以及维护，也可作为船只的深海停靠港和补给站，使船只在远离陆地的时候能够进行补给。VLFB的这些功能使其具有巨大的军用价值以及民用价值。

由于VLFB的尺度巨大，如果设计成为一个整体，那么结构所受波浪载荷引起的结构弯曲载荷将十分巨大，现有工程技术条件无法满足。解决这个问题的方法是将结构设计为多模块连接的形式[2]，并允许模块间某几个自由度的相对位移，以此来达到减小结构受力的目的。模块之间的连接器的设计就成为超大型海上浮式基地设计中非常重要的环节。

目前国内关于连接器的研究一般采用线弹性弹簧模型来研究连接器的载荷[3-4]，对于连接器的具体形式研究还没见到，本文根据已获得的模块连接器的刚度和载荷值，提出了一种柔性连接器的设计方案，为柔性连接器的设计研究提供了一种参考。

图1 模型简图及坐标示意图Fig.1 Model and coordinates schematic diagram

2 连接器的载荷计算

本文中的VLFB采用刚性模块柔性连接器模型(RMFC)，即认为模块为刚性的，连接器是柔性的，模型的变形全部发生在连接器上。模型由5个模块和8个连接器组成。模块分别用M1~M5表示，连接器分别用C1~C8表示。每个模块的主尺度如下：上体长275m，宽120 m，高14 m；下体长270 m，宽30 m，高10m，横向间距90m；支柱的直径25m，高24 m，支柱间的横向间距90 m，纵向间距67.5m。VLFB单模块的设计吃水为21m，重心距离基线的垂向高为25m，设计排水量2.1×108kg，质量惯性矩Ixx=5.392 4×1011kg·m2，Iyy=1.380 6×1012kg·m2，Izz=1.752 9×1012kg·m2。模型简图和坐标如图1所示。

每个模块由1个上体、2个浮厢、8个立柱（每侧各4个）构成，且关于xioiyi平面和yioizi平面对称。模块之间用2个连接器连接，连接器位于模块上体甲板处，关于xi轴对称。连接器为线性弹簧模型，限制三个方向的线位移，允许三个方向上的角位移。

用Sesam/GeniE建立模块水动力模型，图2为模型的水动力网格。水动力计算采用的波浪谱为Bretschneider谱，Bretschneider谱密度表达式如下：

图2 模型水动力网格Fig.2 Hydrodynamicmeshes ofmodel

式中：ω为入射波频率，Hs为特征波高，Tp为谱峰周期。北太平洋7级海况的特征波高为7.5m，谱峰周期为13.8 s。短期预报为千分之一响应均值。

本文中认为连接器为线性弹簧模型，限制了模块间相对线位移，允许模块间相对角位移，因此连接器只承受线位移引起的力，而不用承受角位移引起的力矩。因为要求模块间的横向相对位移较小，所以选取的连接器横向刚度都比较大。如何选择出合理的连接器设计方案至关重要，为了充分说明刚度不同对连接器载荷的影响，选取了12种不同的连接器刚度，连接器刚度从小到大排列。为了方便比较，在下表中列出了连接器X、Y、Z方向的刚度值，连接器的选择是从柔软到坚硬。

表1 不同连接器刚度（N/m）Tab.1 Different connector stiffness（N/m）

通过计算，5-8级海况不同刚度连接器三个方向最大载荷值如图3-6所示。

图3 SS5下不同刚度连接器最大载荷（N）Fig.3 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss5(N)

图4 SS6下不同刚度连接器最大载荷（N）Fig.4 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss6(N)

图5 SS7下不同刚度连接器最大载荷（N）Fig.5 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss7(N)

图6 SS8下不同刚度连接器最大载荷（N）Fig.6 Maximum loads of different connector stiffnesses at ss8(N)

从图3-6中可以看出，连接器的载荷值与连接器的刚度密切相关，特别是纵向载荷值的大小对连接器纵向刚度很敏感，总体趋势是随着刚度的增加，载荷值先增大后减小，随后趋于平缓。K4刚度之前的连接器的载荷值较小，从K10刚度开始，连接器的载荷值变化不明显。连接器的刚度选取中除了要考虑刚度对载荷的影响，还需要考虑刚度对连接器的变形以及VLFB模块运动幅值的影响，K4刚度之前的连接器载荷虽然比较小，但是在对应载荷作用下连接器的变形非常大，这对于VLFB日常运作的稳定性会产生不利的影响，当VLFB甲板作为飞机跑道时，对连接器的变形值要求更高。所以综合考虑，本文选取K10刚度作为连接器设计的参考刚度。

在不同浪向角下，浮体的运动预报值和连接器载荷的预报值将有很大的不同。为了说明浪向角对连接器载荷的影响，本文比较了北太平洋5个不同海况下刚度为K10的连接器载荷在不同浪向角下的短期预报值。浪向角从0°开始，到90°结束，中间间隔为15°。以下图例中SS4表示北太平洋4级海况，SS7表示为北太平洋7级海况。

图7 不同浪向角下连接器最大纵向载荷Fig.7 Maximum longitudinal loads of connector under differentwave angles

图8 不同浪向角下连接器最大横向载荷Fig.8 Maximum transvers loads of connector under differentwave angles

图9 不同浪向角下连接器最大垂向载荷Fig.9 Maximum vertical loads of connector under differentwave angles

从图7-9可以看出，当浪向角增加时，连接器载荷不断增加。当浪向角超过45°时，连接器载荷开始剧增。达到8级海况时，连接器的载荷剧烈增大，几乎是6级海况下最大载荷的2倍。因此，海洋工程界一般建议VLFB有动力定位系统，使浪向角保持在45°以内，并且在7级海况时断开连接。

本文中的连接器的极限载荷选取7级海况、45°浪向角下的载荷，三个方向的载荷值如表2所示。

表2 连接器三个方向设计载荷值Tab.2 Design loads of connector in three directions

3 连接器的设计方案

本文中连接器采用高强度钢和橡胶结合的方式，接头采用铰接式接头。图10中深色部分为橡胶材料，浅色部分为高强度钢，两种材料之间采用接触的作用方式。柔性材料为橡胶，用橡胶来提供柔性功能和阻尼功能。

图10 连接器示意图Fig.10 Connector schematic diagram

橡胶作为一种典型的超弹性材料，它的本构关系非常复杂，具有双重的非线性。在大量的实验数据的基础上，人们建立起来很多理论模型来描述橡胶的力学特征。本文中，橡胶材料采用Mooney-Rivlin模型[7]，Mooney-Rivlin模型是一个比较经典的模型，几乎可以模拟所有橡胶材料的力学行为。其表达式为：

式中：I1，I2为Cauchy-Green偏应变张量的第一不变量和第二不变量；J为橡胶变形后与变形前的体积比；C10和C01为材料常数，一般由实验测定；D1表示材料的可压缩性，0表示完全不可压缩。

本文中的橡胶的参数取值为：

虽然橡胶几乎是不可压缩材料，但是，D1接近0时，计算时间很长，同时导致刚度矩阵病态，计算结果反而不好。所以D1不取为0，取ABAQUS默认值0.007 681（相当于泊松比为0.475）。

高强度钢材料本构采用理想弹塑性曲线，材料特性为：本文中接触属性的本构关系采用库伦摩擦模型：

其中：τ为切向（摩擦）应力；μ为摩擦系数；p为接触节点法向应力；t为相对滑动速度方向上的切向单位向量。

该摩擦模型使用摩擦系数μ来表征在两个接触面之间的摩擦行为。默认的摩擦系数为0，在表面拽力大到一个临界剪应力值之前，切向运动一直保持为零，根据上式，临界剪应力取决于法向接触压力。本文中橡胶与钢板之间的摩擦系数取为0.5。

4 有限元分析

连接器在使用的过程中，涉及到橡胶的大变形、橡胶与钢之间的的接触和摩擦，同时具有几何非线性和材料非线性，是一个非常复杂的物理过程。这都给有限元数值仿真求解带来一定难度，对计算机提出了比较高的要求。ABAQUS是一种功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件[5]，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大的复杂的模型，处理高度非线性问题[6]。本文计算中使用ABAQUS/Standard模块进行静态求解。

图11 连接器有限元模型示意图Fig.11 FEM model of connector

图12 位移边界条件示意图Fig.12 Boundary conditions of connector

连接器模型全部采用六面体网格，单元类型全部为八节点六面体减缩积分单元（C3D8R），高强度钢构件单元大小为100mm×100mm×100mm，橡胶构件的单元大小为50mm×50mm×50mm。连接器的有限元模型如图8所示。整个模型单元总数为180 426，节点总数为241 508。橡胶与高强度钢之间采用面面接触对，橡胶不与高强度钢接触的地方刚性固定，即U1=U2=U3=R1=R2=R3=0，如图12所示。

连接器应该在各个方向最大载荷的分别作用及共同作用下安全生存。集中力载荷转换成压强，载荷以压强的形式加在连接器受力面上。由于连接器结构的对称性y向和z向载荷只要计算一个方向即可，所以连接器的载荷工况分为x向、y向、z向、-x向、xyz向和-xyz向六个工况。计算采用ABAQUS/ Static，General非线性计算，初始增量步选为1E-6。六个工况的最大应力和铰接孔中心位移如表3所示。

表3 连接器最大应力和位移Tab.3 M aximum stress and displacement of connector

从表3可以看出，六个工况下连接器的最大Mises应力都小于材料的屈服极限，强度满足要求，其中xyz三向加载时应力最大。连接器三个方向的刚度分别为：x向E11 N/m，y向E10 N/m，z向E10 N/m，刚度满足设计要求。

5 结论

本文运用Sesam/GeniE建立VLFB模块的水动力模型，计算出了不同刚度连接器的载荷，并选取了合适的连接器刚度参考值，计算出此刚度下连接器在不同海况不同浪向角下的载荷值，选取了7级海况45°浪向角下的载荷值作为设计载荷。根据选取的载荷值，提出了一种柔性连接器设计方案。通过运用非线性有限元软件ABAQUS，建立了连接器的有限元模型，经过计算，连接器的应力和刚度满足要求。本文在研究的过程中得出了以下经验：

（1）VLFB连接器的载荷与连接器的刚度密切相关，连接器的设计过程中应选取合适的连接器刚度；

（2）7级海况以上时，连接器的载荷剧增，应在7级海况时断开连接，以此来保证结构的安全；

（3）以橡胶和高强度钢构成的柔性连接器强度满足要求，刚度符合设计值，是一种可行的连接器设计方案。

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[5]王慎凭,刘北英.ABAQUS中的非线性模拟[J].机械制造与研究,2006,35(2):20-22.

[6]庄茁,由小川,廖剑晖等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社,2009:21-30.

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Design and finite element analysis for very large floating base connector

ZHU Xuan1,LIU Chao2,QIEn-rong2,WANG De-yu1
(1 State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China; 2 China Ship Scientific Research Center,Wuxi214082,China)

The design of Very Large Floating Base connector is a critical part in VLFB design process.In this paper,VLFBmodule hydrodynamicmodel is established by Sesam/GeniE.Themaximum load values of VLFB connectors of different stiffness in four different sea conditionswere calculated.The appropriate connector stiffnesswas selected and the loads of the connector in five sea conditions,in differentwave direction angle were calculated.The specific load in 7 level sea condition and in 45°wave angle was chosen as the design load for VLFB connector.A design of flexible connectorwas presented and a 3Dmodel of the connectorwas created,themodelwas nonlinearly analyzed by Abaqus finite elementmethod.The result shows that the designmeets the design requirements,which provides a reference for VLFB connector design.

Very Large Floating Base;design of flexible connector;nonlinearity;finite elementmethod

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.11.011

1007-7294（2014）11-1361-06

2014-08-30

朱璇（1990-），男，上海交通大学硕士研究生，E-mail：1025656169@qq.com；祁恩荣（1965-），男，中国船舶科学研究中心研究员。