编排管模块化装配应力测量技术

逯春亮，吕 雷，杨梓嘉

(1.渤海造船厂集团有限公司 船舶设计研究院，辽宁 葫芦岛 125004；2.渤海船舶职业技术学院，辽宁 葫芦岛 125004)

0 引 言

目前，船舶管路系统装配应力领域对管路装配应力的力学分析模型的研究较少，没有针对管路支撑件受力的应力测量系统，无法准确指导管路支撑件在自由状态下的安装和定位，以致现阶段在进行管路安装时，通常会对管路施加外力，使其与管路支撑件强制装配。因此，需建立管路及其附件的三维分析模型，通过ANSYS软件对其进行受力分析和计算，以获取理论计算数据；研发管路装配应力测量系统并进行试验，以获取真实的受力数据；通过对理论计算数据和实际测量数据进行分析，对生产设计管路布置进行修正。对编排管模块化装配应力测量技术进行研究，通过设计测量装置，准确测量出装配编排管时管路和管支架所受反力，并设计相应的调整工装，准确调整安装应力的大小，使整个编排管系统各支架处的装配应力均衡，使其尽可能地达到理论状态下的安装状态。

ANSYS软件可对机械结构的静态力学特性和动态力学特性进行分析，本文根据其静力学特性对排管管路进行有限元力学分析。

1 测量工装和测量装置

1.1 三维柔性平台

为精确测量编排管的装配应力，需在内场预装配过程中准确装配编排管。在预装内场管路过程中会产生大量自制件、支架和工装，这些工装往往为一次性工装，不仅会对材料、人力资源、场地和施工周期造成极大浪费，而且其精度会因制作质量存在差异而参差不齐，不能为内场预装测量提供良好的测量环境。针对该情况，需设计一套可反复使用、精度高、可调节的三维柔性平台，采用该平台模拟实船安装环境[1]。

三维柔性测量平台研制包括基础平台、平台工装夹具、模拟舱壁(电永磁铁焊接件)和平台连接件等的研制，为典型的验证管路制作和安装应力应变测量等基础工装。实现管路参照实船装配情况进行内场定位和安装，可测量管路的安装坐标位置。图1为舱室级三维柔性平台实际效果图。

图1 舱室级三维柔性平台实际效果图

1.2 编排管应力测量工装

传统管支架由简易角钢支架按现场管路走向，经切割焊接制作，布置精度低，可重复利用性差，为真实地模拟编排管支撑件的受力情况，准确调整编排管的空间位置，设计一套编排管装配应力测量工装[2]。

编排管应力测量工装由垂直升降调整支撑装置、水平支架调整装置、编排管保护设计、测力螺栓、拉压载荷传感器和精确测量设备等组成，满足内场平台管路定位支撑和位置测量要求，实现在内场三维柔性平台上根据编排管安装坐标进行精确定位和安装。图2和图3分别为编排管应力测量工装的理论模型和实际应用场景。

图2 编排管应力测量工装理论模型

图3 编排管应力测量工装实际应用场景

1.3 测量装置及软件

装配应力检测技术研究的核心是测量装置及其软件的设计研究，其原理是通过传感器采集应力和应变信号，并通过数据采集分析仪和软件将这些信号转化为电信号，最终转化为能直接识别的数字信息。

数据采集分析仪作为编排管装配应力测量与计算软件的载体，主要用于配合编排管装配应力测量工装和传感器，采集数据、调理及放大拉压载荷传感器和测力螺栓输出的电信号，并将其转换为数字显示出来。数据采集分析仪可采用1/4桥型和全桥型传感器输出的信号。数据采集分析仪上的信号输入面板信号接口按传感器的不同分为载荷传感器测量模块的信号接口和测力螺栓测量模块的信号接口2个模块。

1)拉压载荷传感器内部包含一组全桥应变片，能感知传感器轴向上承受的拉载荷和压载荷。拉压载荷传感器信号输出端为十芯航插，其接口与数据采集分析载荷模块的信号接口一一对应，两者采用连接电缆连接。可将传感器应变片感知到的载荷信号输入数据采集析仪中，并转化为电信号，最终显示为可理解的量化数值，并由此调整工装，进而调整支反力的大小。

2)测力螺栓传感器内部有一个1/4桥应变片，能感知螺栓轴向发生的应变。测力螺栓传感器信号输出端为三芯航插，与数据采集分析仪测量螺栓模块的信号接口一一对应。通过测量螺栓可精确测量出编排管两侧的受力状态，由此确定编排管系统各管之间受力是否平衡，若不平衡，通过调整螺栓使其达到受力平衡。

应力测量分析软件是编排管应力测量装置的核心，为评判编排管安装质量标准提供真实数据支撑，包含测量通道配置、过程测量和数据分析等3部分。测量通道配置根据传感器的不同分为载荷传感器测量模块配置和测量螺栓传感器测量模块配置，对测量通道的名称、测量状态、测量极值、应变计因子、额定电阻、导线电阻和应变应力转换系数等参数进行设置[3]。

测量与显示为该软件的主体部分，通道设置完成之后，将被测编排管系统轴测背景图插入，在背景图上布置测点位置，由此即可测量当前状态下测点的受力情况，根据受力情况调整测量工装，实时测量测点受力的变化。参数含义：

1)“是否启用”指是否使用该通道进行测量；

2)“通道名称”指该测量通道使用的测力螺栓传感器的编号，默认与通道号一致；

3)“最大值/最小值”指该测量通道测量的应变的最大值/最小值，默认值为0.001 με/-0.001 με；

4)“应变计因子”指该测量通道使用的测力螺栓传感器和应变计的灵敏系数，默认值为2.01；

5)“额定电阻”指该测量通道使用的测力螺栓传感器的额定电阻，默认值为120 Ω；

6)“换算K1”指该测量通道使用的测力螺栓传感器应变到应力的换算系数，默认值是与该通道编号一致的传感器的换算系数1。

测量数据分析：对多次测量得到的数据进行各种统计学分析，记录并分析随着测量工装位移的调整，测点所受应力和载荷的变化情况，并最终用表格输出。

2 应力的测量及分析

2.1 CATIA计算信息自动提取模块

通过CAA编程提取CATIA模型的几何信息，包括管路空间位置信息、管子规格与材料信息和支吊架空间位置信息等。图4为提取的几何信息。

图4 提取的几何信息

2.2 ANSYS模型仿真

根据从CATIA模型中获取的几何信息生成ANSYS APDL命令流文件。采用CAA程序调用该文件，可完成前处理、加载和求解工作。采用CAA程序调用编辑好的ANSYS APDL命令流文件，可完成后处理工作，将所需数据提取出来，并输出计算文件[4-6]。

2.3 计算结果

通过读取结果参数文件，将计算结果输出为txt文件格式的参数，显示在命令对话框中，包括最大应力和每个支吊架的受力情况。图5为有限元模型；图6为计算结果输出文件。

图5 有限元模型

图6 计算结果输出文件

通过计算软件对导入的管路模型进行计算，可计算出重力状态下支架所受应力的大小，可在指导生产设计管路布置时更加合理地进行管支架布置，同时根据内场预装过程中测得的真实应力数据调整管支架的空间位置和大小，以保证编排管装配应力尽可能地贴近理论计算值。

3 结 语

通过对编排管模块化装配应力测量技术进行研究，研制了编排管装配测量检测平台组合样机，达到了以下目标：

1)三维柔性平台，实现了内场编排管模块化单元预装中对全船编排管单元安装环境的精确模拟，淘汰了大量内场预装临时工装制作，缩短了内场预装周期，减少了材料浪费，大大提高了将内场预装结果转嫁到实船上的精确性。

2)编排管应力测量工装，实现了内场预装过程中管支架对管路空间位置的调节功能和对管路装配应力的测量功能。

3)编排管装配应力测量与计算软件，实现了对管路装配应力的量化测量和对应力调整的实时监控。