摘要：海洋平台陆地建造过程中，为找平地面、隔离杂物、防止预制件变形，往往需要数量较多的垫墩。目前采用的都是传统固定式垫墩，这种垫墩较为笨重，高度固定，无法自由的进行高度调节，如设置临时构件，还存在许多多安全隐患。为消除隐患，简化流程，重新设计并制造了升降垫墩，较好的解决了这一问题。本文结合传统垫墩的使用优势，简述了升降垫墩的设计思路，分析了典型工况下升降垫墩受力特点，对升降垫墩应用与推广具有指导意义。
关键词：结构垫墩；有限元；典型工况下受力特点；ANSYS
在海洋平台（如组块、导管架等）建造过程中，为找平地面、隔离杂物、便于施工，需要使用大量的垫墩用于支撑。垫墩不仅可以调平支撑组块和导管架的单片结构，还可以在单片结构进行组对和焊接过程中起到压载的作用，防止变形。海洋平台建造对于垫墩的需求很大，一般一个海洋平台单体的建造，往往需要数百个甚至更多垫墩。
现有的垫墩一般为筒体垫墩，为固定式结构，由于其高度固定，无法进行高度调节。在实际使用时，因垫墩高度固定，只能根据结构物预制时实际的需要，更换不同高度规格的垫墩，因而施工比较繁琐，给现场操作人员带来不便。
为提高组块甲板片的预制水平，解决目前甲板片预制垫墩高度不可调节的问题，组装部积极进行技改技革的研究，设计了一种高度可调节的升降垫墩，提高水平片的预制效率，克服现有垫墩存在的上述缺点，其可以根据结构物预制时需要的支撑高度，来调节垫墩的高度，更方便，易于施工，提高了生产效率，降低了使用难度。
图1 升降垫墩结构图
一、升降垫墩设计与制作
根据现有垫墩的构型，考虑主要承力结构为几何中心布置，其主要承力、升降和控制机构设计如下：
1. 设计升降螺杆和旋转螺母，通过螺杆和螺母的精确配合实现升降垫墩的升降，并保证升降垫墩的强度核算。
2. 通过设计内套环和销键来实现螺母的固定和螺杆的上下升降。升降螺杆向上与顶部托盘连接，向下穿过上环板与内套环通过销键套合在一起，通过销键固定螺母，使螺母旋转时，螺母固定不动，螺杆上下升降。
3. 设计旋转轴承。在螺母底部设计旋转轴承降低摩擦力，使螺母灵活旋转，经过培训后，一名操作人员即可轻松操作。
4. 升降垫墩底部设计人孔，方便拆卸和维护保养。在升降垫墩底部支撑板上，设计活动人孔板，通过螺栓固定，方便拆卸进行后续的维护保养。
5. 经初步设计，该升降垫墩，其主要技术参数与特点为：
（1）主尺度：直径ф400mm，净高H1000mm，最大承重h20吨，升降行程L300mm，最大高度可达1.315米。
（2）设计升降螺杆和螺母，通过外部把手的旋转达到升降的目的。
（3）在升降垫墩筒体内设计固定销键，使升降螺杆产生上下升降的作用和效果。
（4）设计升降垫墩底部人孔板的设计，保养或维护时，无需拆解，从人孔即可操作，实现了升降垫墩维护保养的方便快捷。
二、升降垫墩工况分析与计算
本节对升降垫墩的几种典型工况和最大承载力进行分析与计算，以验证升降垫墩承载能力。本次计算的有限元模型依据设计图纸《升降垫墩布置图》进行建模，垫墩外形建模直接使用ansys建模，有限元模型的基本单元及模型单位如下：
1. 采用了ansys软件中的solid45单元，solid45是一种三位实体单元，每个节点有在x，y，z方向有三个自由度。
2. 计算单位。
长度单位为：m；密度为： kg/m3；旋转为：角度；力单位：N；
3. 材料力学参数。
建模模型使用的力学参数为：
Young’s Mod = 200 GPa=2X1011PA
Poisson’s ratio = 0.3；
Density = 7850 kg/m3；
Yield stress: FY= 355 X 10-3GPa
4. 基本模型。
模型建立后，对模型进行了冲突和碰撞检查，确保模型及材料的正确性，并据此划分有限元模型。
5. 受力和边界条件。
（1）载荷及边界情况
在此次有限元分析中，20吨的力转化为平均载荷2×105N。考虑现场实际的施工情况，均布载荷平均分布在顶层平面的圆形钢板的一半面积（S=3.14*0.02.0.02/2=0.0628m2）。垫墩底部钢板进行位移全约束，底部钢板在XYZ方向上自由度为0。
6. 分析结果报告。
通过载荷及边界条件，有限元计算结果如下，垫墩最大应力为216MPa，如果去掉奇异点，垫墩最大受力为192MPa。垫墩的最大位移为2.2mm，垫墩变形较小。
7. 螺纹受力计算。
螺纹及螺杆选型：
依据GB/T5796-86标准，螺杆材质选型45#，规格为T100X8X900，螺距为8mm（中径d2为96mm，大径d4为101mm，小径d3为92mm），螺母选用D36材质，厚度为120mm。螺母内嵌套轴套为推力球轴承8230，尺寸d*D*H=150*215*50mm。
螺母和螺杆螺纹的强度计算如下。
螺杆：
剪切强度 20 N/mm2 =213N/mm2
8. 结论
计算结果显示，垫墩、螺纹的受力和变形符合要求。
参考文献
[1]李鑫，徐明强，刘潇涵，等，基于ANSYS参数化建模的垫墩结构优化设计[J]，中国水运月刊，2017，(4)：53-56.
[2]毛国栋，吕克克，导管架临时垫墩的参数化设计[J]，城市建设理论研究:电子版，2012(20).
[3]马飞翔，赵婷，庄宏昌，任若楠，模块场地建造总装垫墩设计，深海能源大会，2015.
作者简介
1. 刘睿锋，男，1986年6月出生，2010年7月毕业于天津大学船舶与海洋工程专业，现任海油工程股份有限公司建造公司助理工程师，从事海洋平台结构生产协调与技术管理工作。
2. 卢学，男，1968年9月出生，现任海油工程股份有限公司建造公司队长，从事海洋平台结构焊接工作。3. 汪磊，男，1982年7月出生，2015年7月毕业于天津科技大学人力资源管理专业，现任海油工程股份有限公司建造公司生产技术室主任
4. 张淼，女，1981年6月出生，2009年1月毕业于天津外国语学院英语专业，现任海油工程股份有限公司建造公司计量监督。
论文作者:刘睿锋1,卢学2,汪磊3,张淼4
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/25
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