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摘 要：张紧器是海洋铺管的关键设备，张紧器主梁性能对铺管作业起着至关重要的作用。目前国内有关张紧器的设计研究较少，本文对电动张紧器主梁进行结构设计，并在此基础上利用ANSYS有限元软件进行优化研究，进而得出了通用性较好的张紧器主梁。
关键词：铺管船 张紧器 结构设计 优化设计
海上开采出的油气主要通过海底管线输送到陆地，先进可靠的海底管线铺设技术越来越显得重要。铺管船用张紧器是铺管船法铺设海洋管道的关键设备。主要作用有两个方面：一是起固定管线的作用，使得船上的焊接作业得以进行；另一方面是起到保持管线恒张力的作用，使得铺管船在潮涨、潮落和受风浪等作用升沉和摇荡时，使管线张力保持在允许值范围内，避免管线超过许用应力而遭到破坏[1]。履带系统主梁是张紧器设备中重要部件，主梁装置对张紧器设备的整体性能的发挥十分重要，因此主梁是张紧器设计的重点
一、优化模型的建立
优化分析就是将系统转换成带有设计变量的数学模型，从数学理论上讲就是将设计构造成一个约束非线性规划问题。张紧器优化问题可以归于约束非线性规划问题。对于约束非线性规划问题，在有限元方法中是根据约束变分原理采用罚函数法将其转化成求修正泛函的驻值问题[2]。
1.设计变量及目标函数的选取
对于张紧器主梁来说，其优化设计选取质量为设计目标，对于给定外形尺寸的主梁来说，质量住院起哦取决于主梁各板的厚度，设各板的厚度为 （ ），用向量表示为
（1）
目标函数可以表示为
（2）
式中， 为材料的密度， 为各板的厚度， 为对应厚度板的面积。
2.约束条件及计算方法
为保证主梁能够安全可靠的工作，需满足强度、刚度、稳定性的要求，为此可以建立以下约束条件。
应力约束条件为：
刚度约束条件为：
变量的取值边界条件为：
式中 和 分别为为结构中最大应力和最大变形量； 和 分别为为许用应力值和许用变形量； 为各板厚度。
采用罚函数法是引入权因子 ，把带有约束条件的约束函数加给目标函数，形成广义的增广函数，即[3]
（3）
式中， 为约束条件的函数。
二、张紧器主梁的设计
张紧器主梁结构组成为：在主梁长度方向上有两个矩形的翼板，在翼板两侧的中下部有分别连接一个水平的板，该板主要为支重轮安装使用，板下部有加强筋板；翼板两端为和张紧器框架连接板和梁等结构。根据张紧器的工作要求及有关参数进行主梁的二维设计与三维设计。
二维模型采用CAD软件设计，三维模型采用Pro/e建立。由于主梁上还安装有支重轮等部件，本研究只设计主梁整体焊接部分，结果如图1和图2所示。
三、张紧器主梁的优化分析
张紧器主梁结构形状复杂，难以建立微分方程组、确定的边界条件和初值条件，为了解决这个问题，我们常常要借助于数值方法来求近似解。ANSYS作为现今主流的有限元软件，其在有限元分析时具有强大的功能，因此，本文采用ANSYS有限元软件进行分析。
图1 张紧器主梁二维设计结构示意图
图2 张紧器主梁三维结构示意图
1.主梁的有限元分析
1.1建模及边界条件
1.1.1有限元模型建立。直接在ANSYS中采用自上而下的实体建模。
1.1.2单元类型选择及参数确定。主梁选用SHELL63单元，材料为Q345钢，弹性模量为2.06e11，泊松比0.3，密度7850kg/m3
1.1.3网格划分及加载。采用控制单元大小的网格划分；主梁和框架连接处完全约束，和链轮连接处加力
1.2计算结果
根据张紧器作业时的实际受载情况加载结果如图3所示。
图3 主梁受载后应力云图
从分析结果的图3可以看出，加载后，主梁的最大应力为285.425MPa，发生在主梁两侧平板和连接板处，此处应力远大于其他地方的应力，应力集中。这是由于在建模时对此处连接的处理采用直角过渡，因此造成应力集中，但此处的应力并不能反映真实的情况，在实际建造中是可以采取措施避免。主梁其他非应力集中处最大应力水平为150MPa左右，大部分区域都在70MPa左右，主梁结构的材料为Q345钢，材料的屈服强度355MPa，可知主梁的最大应力小于材料的屈服强度，安全系数为2.47，结构在强度上是安全的。
从图3知，除应力集中外，其他处应力都不大，存在材料浪费。因此需要对主梁结构和板的尺寸进行适当的优化以减少用材量，减轻整个设备的重量
2.张紧器主梁结构优化
根据ANSYS优化设计的要求，需要指出优化过程中的设计变量（DV）、状态变量（SV）和目标函数（OBJ）[4]。设定零阶方法，程序中设置的最大迭代次数为20次，程序循环了18次之后由于结果收敛就停止。分析完成后通过OPLIST命令查看分析结果如图4所示。
图4 主梁材料体积变化规律
从主梁所用材料的体积变化规律来看，第8阶的时候体积最小，这时各个参数的情况如表1所示。
表1 体积最小各设计变量值
表1是主梁所用材料体积最小时各个设计变量的值，也就是各个板的厚度，以上数据是计算结果，具体采用还要结合实际情况进行取舍和改变。由主梁在整个张紧器的位置和作用知道，主梁在纵向上可以看成一个简支梁，最可能发生有由于刚度不够而变形，在横向上可能由于箱体两侧板（T1）刚度不够而被支撑拖轮的板撕裂变形，更有甚者可能被撕裂破坏。由于箱体两侧的板作用很大，此处设计时需重点考虑。而对于箱体中间的加强板（T3和T4）和拖轮支撑板下的加强筋，在强度和刚度都满足的情况下可以适当減薄。
根据上面的讨论情况，最终确定的各个板的厚度如表2所示
表2 最终确定主梁的参数
以最终确定的尺寸重新建立模型进行分析，分析的结果如图5所示。
图5 优化主梁的应力云图
由图5知道，优化后主梁的最大应力为355MPa，比优化前稍大，这是因为优化后各个板的厚度都有所减小，而此处仍为应力集中，原因同结构优化前。根据分析，我们最关心的是箱体左右的板或左轮支撑板上应力的大小，从图5可以看出，它们的最大应力都没有超过材料的屈服极限，所以结构是安全的。而且优化后结构的总重量减轻了14.14%，减少了用材料的量，降低了成本
四、结论
本文以铺管船用张紧器主梁为研究对象，利用ANSYS进行了有限元分析，针对分析表现的不足进一步进行了优化，使设备的重量大大减少，降低了生产制作成本。本文只是从尺寸方面进行的优化研究，但对于具体的设计仍有借鉴意义
参考文献
[1] M.R.Mitchell，J.Gessureaule.A constant tension winch：design and test of a simple passive system.Ocean Engineering，1992，5（19）：489-496.
[2] 岳中第，林承祯.基于ANSYS的整体结构分析技术.ANSYs2000年会论文集.
[3] 张胜俊.轿车车身结构振动特性研究与优化设计[D].武汉理工大学，2010.
[4] 段近，倪栋，王国业等。ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M]. 北京：兵器工业出版社，2006.
关键词：铺管船 张紧器 结构设计 优化设计
海上开采出的油气主要通过海底管线输送到陆地，先进可靠的海底管线铺设技术越来越显得重要。铺管船用张紧器是铺管船法铺设海洋管道的关键设备。主要作用有两个方面：一是起固定管线的作用，使得船上的焊接作业得以进行；另一方面是起到保持管线恒张力的作用，使得铺管船在潮涨、潮落和受风浪等作用升沉和摇荡时，使管线张力保持在允许值范围内，避免管线超过许用应力而遭到破坏[1]。履带系统主梁是张紧器设备中重要部件，主梁装置对张紧器设备的整体性能的发挥十分重要，因此主梁是张紧器设计的重点
一、优化模型的建立
优化分析就是将系统转换成带有设计变量的数学模型，从数学理论上讲就是将设计构造成一个约束非线性规划问题。张紧器优化问题可以归于约束非线性规划问题。对于约束非线性规划问题，在有限元方法中是根据约束变分原理采用罚函数法将其转化成求修正泛函的驻值问题[2]。
1.设计变量及目标函数的选取
对于张紧器主梁来说，其优化设计选取质量为设计目标，对于给定外形尺寸的主梁来说，质量住院起哦取决于主梁各板的厚度，设各板的厚度为 （ ），用向量表示为
（1）
目标函数可以表示为
（2）
式中， 为材料的密度， 为各板的厚度， 为对应厚度板的面积。
2.约束条件及计算方法
为保证主梁能够安全可靠的工作，需满足强度、刚度、稳定性的要求，为此可以建立以下约束条件。
应力约束条件为：
刚度约束条件为：
变量的取值边界条件为：
式中 和 分别为为结构中最大应力和最大变形量； 和 分别为为许用应力值和许用变形量； 为各板厚度。
采用罚函数法是引入权因子 ，把带有约束条件的约束函数加给目标函数，形成广义的增广函数，即[3]
（3）
式中， 为约束条件的函数。
二、张紧器主梁的设计
张紧器主梁结构组成为：在主梁长度方向上有两个矩形的翼板，在翼板两侧的中下部有分别连接一个水平的板，该板主要为支重轮安装使用，板下部有加强筋板；翼板两端为和张紧器框架连接板和梁等结构。根据张紧器的工作要求及有关参数进行主梁的二维设计与三维设计。
二维模型采用CAD软件设计，三维模型采用Pro/e建立。由于主梁上还安装有支重轮等部件，本研究只设计主梁整体焊接部分，结果如图1和图2所示。
三、张紧器主梁的优化分析
张紧器主梁结构形状复杂，难以建立微分方程组、确定的边界条件和初值条件，为了解决这个问题，我们常常要借助于数值方法来求近似解。ANSYS作为现今主流的有限元软件，其在有限元分析时具有强大的功能，因此，本文采用ANSYS有限元软件进行分析。
图1 张紧器主梁二维设计结构示意图
图2 张紧器主梁三维结构示意图
1.主梁的有限元分析
1.1建模及边界条件
1.1.1有限元模型建立。直接在ANSYS中采用自上而下的实体建模。
1.1.2单元类型选择及参数确定。主梁选用SHELL63单元，材料为Q345钢，弹性模量为2.06e11，泊松比0.3，密度7850kg/m3
1.1.3网格划分及加载。采用控制单元大小的网格划分；主梁和框架连接处完全约束，和链轮连接处加力
1.2计算结果
根据张紧器作业时的实际受载情况加载结果如图3所示。
图3 主梁受载后应力云图
从分析结果的图3可以看出，加载后，主梁的最大应力为285.425MPa，发生在主梁两侧平板和连接板处，此处应力远大于其他地方的应力，应力集中。这是由于在建模时对此处连接的处理采用直角过渡，因此造成应力集中，但此处的应力并不能反映真实的情况，在实际建造中是可以采取措施避免。主梁其他非应力集中处最大应力水平为150MPa左右，大部分区域都在70MPa左右，主梁结构的材料为Q345钢，材料的屈服强度355MPa，可知主梁的最大应力小于材料的屈服强度，安全系数为2.47，结构在强度上是安全的。
从图3知，除应力集中外，其他处应力都不大，存在材料浪费。因此需要对主梁结构和板的尺寸进行适当的优化以减少用材量，减轻整个设备的重量
2.张紧器主梁结构优化
根据ANSYS优化设计的要求，需要指出优化过程中的设计变量（DV）、状态变量（SV）和目标函数（OBJ）[4]。设定零阶方法，程序中设置的最大迭代次数为20次，程序循环了18次之后由于结果收敛就停止。分析完成后通过OPLIST命令查看分析结果如图4所示。
图4 主梁材料体积变化规律
从主梁所用材料的体积变化规律来看，第8阶的时候体积最小，这时各个参数的情况如表1所示。
表1 体积最小各设计变量值
表1是主梁所用材料体积最小时各个设计变量的值，也就是各个板的厚度，以上数据是计算结果，具体采用还要结合实际情况进行取舍和改变。由主梁在整个张紧器的位置和作用知道，主梁在纵向上可以看成一个简支梁，最可能发生有由于刚度不够而变形，在横向上可能由于箱体两侧板（T1）刚度不够而被支撑拖轮的板撕裂变形，更有甚者可能被撕裂破坏。由于箱体两侧的板作用很大，此处设计时需重点考虑。而对于箱体中间的加强板（T3和T4）和拖轮支撑板下的加强筋，在强度和刚度都满足的情况下可以适当減薄。
根据上面的讨论情况，最终确定的各个板的厚度如表2所示
表2 最终确定主梁的参数
以最终确定的尺寸重新建立模型进行分析，分析的结果如图5所示。
图5 优化主梁的应力云图
由图5知道，优化后主梁的最大应力为355MPa，比优化前稍大，这是因为优化后各个板的厚度都有所减小，而此处仍为应力集中，原因同结构优化前。根据分析，我们最关心的是箱体左右的板或左轮支撑板上应力的大小，从图5可以看出，它们的最大应力都没有超过材料的屈服极限，所以结构是安全的。而且优化后结构的总重量减轻了14.14%，减少了用材料的量，降低了成本
四、结论
本文以铺管船用张紧器主梁为研究对象，利用ANSYS进行了有限元分析，针对分析表现的不足进一步进行了优化，使设备的重量大大减少，降低了生产制作成本。本文只是从尺寸方面进行的优化研究，但对于具体的设计仍有借鉴意义
参考文献
[1] M.R.Mitchell，J.Gessureaule.A constant tension winch：design and test of a simple passive system.Ocean Engineering，1992，5（19）：489-496.
[2] 岳中第，林承祯.基于ANSYS的整体结构分析技术.ANSYs2000年会论文集.
[3] 张胜俊.轿车车身结构振动特性研究与优化设计[D].武汉理工大学，2010.
[4] 段近，倪栋，王国业等。ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M]. 北京：兵器工业出版社，2006.