半潛平臺(tái)總體強(qiáng)度分析及方案改造研究

郭勤靜，陳書敏，徐勤花，時(shí) 磊

(煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264000)

隨著全球海洋勘探和開發(fā)向深海海域發(fā)展，半潛式海洋平臺(tái)以其自身的明顯優(yōu)勢(shì)逐漸成為深海油氣開發(fā)的主要工具。半潛式海洋平臺(tái)具有造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承受載荷多樣、工況組合復(fù)雜以及設(shè)計(jì)技術(shù)難度高等特點(diǎn)［1］，因此半潛式海洋平臺(tái)的前期設(shè)計(jì)即基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成為半潛式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)內(nèi)容。不僅要考慮設(shè)計(jì)的技術(shù)可靠性，同時(shí)需要兼顧設(shè)計(jì)周期、效率及生產(chǎn)建造條件等。

對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來說，設(shè)計(jì)初期常采用簡化的模型進(jìn)行總體強(qiáng)度分析［2］，利用空間剛架粱模擬平臺(tái)的各個(gè)模塊并賦予適當(dāng)?shù)慕孛鎸傩詠砜焖俚爻醪皆u(píng)估基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)載荷的響應(yīng)。觀察整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的總體應(yīng)力分布情況，根據(jù)各處應(yīng)力程度不同采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化空間大。在設(shè)計(jì)的中期和后期，則采用梁和板殼混合模型進(jìn)行具體的強(qiáng)度分析，一般設(shè)計(jì)到了這個(gè)階段時(shí)，設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化的空間相對(duì)減小。對(duì)于虛擬的整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來說，設(shè)計(jì)的過程如此循環(huán)往復(fù)，直到最終得到較為合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。基于這種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的思想，采用板梁模型完成一型半潛式起重生活平臺(tái)的總體強(qiáng)度分析，并采用剛架梁模擬實(shí)際的管支撐結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)改造方案的總體強(qiáng)度快速評(píng)估，從而確定合理的結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行詳細(xì)的總體分析計(jì)算。

1 半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度分析

1.1 半潛式起重生活平臺(tái)簡介

表1 平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 Primary parameters of platform

該型平臺(tái)是煙臺(tái)中集來福士自主研發(fā)設(shè)計(jì)并建造的起重能力達(dá)1 100 t 的半潛式起重和生活居住平臺(tái)，普遍用于水上大型設(shè)備的安裝和打撈，能夠?yàn)槠渌@井平臺(tái)提供住宿、大型模塊吊裝及多功能貨物儲(chǔ)運(yùn)等服務(wù)。滿足溫和海況如西非等海況時(shí)所設(shè)計(jì)的平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)主要有下船體、橫撐、立柱和上船體構(gòu)成，橫撐結(jié)構(gòu)剖面為圓管型，分布在首尾部。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

1.2 半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度評(píng)估

1.2.1 平臺(tái)所受載荷及計(jì)算方法

作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的各種載荷可分為:永久載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、意外載荷和變形載荷等［2］。通常情況下，在對(duì)平臺(tái)進(jìn)行總體強(qiáng)度評(píng)估時(shí)只考慮永久載荷和環(huán)境載荷［3］。永久載荷總體上包括結(jié)構(gòu)自身重量、設(shè)備和壓載艙打壓載重量等等，可以從重量報(bào)告中獲取數(shù)據(jù)。環(huán)境載荷主要包括由于波浪和流產(chǎn)生的水動(dòng)力荷載、慣性力、風(fēng)載荷以及雪冰等。因波浪、流、風(fēng)和海水等是影響平臺(tái)正常工作的主要環(huán)境條件，波浪載荷是所有環(huán)境載荷中對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)影響最為顯著的。通常選擇百年一遇的波浪來進(jìn)行波浪載荷分析，采用設(shè)計(jì)波法完成波浪載荷的分析計(jì)算，根據(jù)船級(jí)社規(guī)范考慮了如下特征載荷:平臺(tái)中縱剖面的縱向剪力、橫向分離力、橫向分離力矩、縱向扭矩，中橫剖面的垂向彎矩以及甲板中心處三個(gè)方向的加速度載荷。根據(jù)各特征載荷最大值所處浪向確定設(shè)計(jì)波浪向，根據(jù)特征載荷響應(yīng)算子峰值確定設(shè)計(jì)波周期和相位等特征要素，整體海況改變以后的具體設(shè)計(jì)波的情況如表2 所示。

表2 風(fēng)暴自存工況下的典型設(shè)計(jì)波Tab.2 Typical design wave of survival condition

1.2.2 總體有限元模型及計(jì)算

采用有限元分析軟件ABAQUS［4-5］多人協(xié)作建模的方法建立平臺(tái)總體有限元板梁組合模型如圖1 所示。在總體有限元模型中經(jīng)過加載(主要是永久載荷)、調(diào)平(由于模型簡化帶來的質(zhì)量分布不均衡)并計(jì)算總體質(zhì)量矩陣，同時(shí)在總體有限元模型中提取濕表面模型如圖2 所示。注意濕表面法向的一致性，根據(jù)濕表面模型，水動(dòng)力采用設(shè)計(jì)波法計(jì)算平臺(tái)所受的波浪載荷即主要環(huán)境載荷。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的邊界加載方式，即3-2-1 的邊界加載方式［2］，針對(duì)不同的工況進(jìn)行加載計(jì)算并完成總體強(qiáng)度的分析計(jì)算校核。

圖1 半潛平臺(tái)總體有限元模型Fig.1 Global FE model of platform

圖2 半潛平臺(tái)濕表面模型Fig.2 Water-surface model of platform

1.2.3 總體屈服屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

平臺(tái)總體強(qiáng)度分析主要包括總體屈服強(qiáng)度、總體屈曲強(qiáng)度和總體疲勞強(qiáng)度分析，其實(shí)際計(jì)算過程主要是通過船級(jí)社專業(yè)的計(jì)算包或者公司自身利用程序語言開發(fā)的后處理程序批量處理計(jì)算完成整個(gè)后處理計(jì)算校核。此處主要針對(duì)板殼結(jié)構(gòu)，列舉總體屈服屈曲強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則如下:

1)總體屈服強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

式中:(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t為總體單元應(yīng)力分量;σe為Von-Mises Stress。σf代表材料許用屈服應(yīng)力(355 MPa)，組合工況下安全系數(shù)取值1.11，許用屈服應(yīng)力校核:

σe≤σf/1.11 = 355 MPa/1.11 = 320 MPa

2)總體屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

過往的海洋工程實(shí)踐表明，對(duì)于以板格為屈曲校核對(duì)象時(shí)，極限強(qiáng)度狀態(tài)下是必須要校核的，并且在極限強(qiáng)度滿足的情況下，一定的屈曲是允許的。極限強(qiáng)度狀態(tài):

式中:σUx，σUy，σUxy分別代表板格縱向、橫向單軸向力下的極限強(qiáng)度、邊緣剪切下的極限強(qiáng)度;φ 為強(qiáng)度作用系數(shù);η 為最大的許用強(qiáng)度利用系數(shù)。

2 平臺(tái)方案改造研究

2.1 平臺(tái)方案改造及方法

初始設(shè)計(jì)時(shí)鑒于對(duì)平臺(tái)服務(wù)海域要求比較溫和，主要是渤海、西非等海況，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完成后的整體結(jié)構(gòu)(如圖1)的總體強(qiáng)度基本滿足船級(jí)社規(guī)范要求，進(jìn)行了總裝模塊化建造。隨著后期全球市場(chǎng)的變化及半潛海洋平臺(tái)的快速發(fā)展，對(duì)半潛平臺(tái)的功能和工作海域要求越來越高，亟需在短時(shí)間內(nèi)對(duì)該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行升級(jí)改造。考慮平臺(tái)受荷載情況，對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)添加支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，支撐結(jié)構(gòu)添加方案的總體強(qiáng)度評(píng)估有兩種方法:方法一可以在原來的總體模型創(chuàng)建后如圖1 所示，對(duì)應(yīng)每一種改造方案補(bǔ)充創(chuàng)建撐管的詳細(xì)的總體有限元模型，根據(jù)1.2.2 中介紹的總體強(qiáng)度計(jì)算方法，分別完成各個(gè)方案的總體強(qiáng)度校核并比較結(jié)果。方法二可以采用在原來方案總體板殼模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建剛架梁模型來模擬撐管，完成各個(gè)方案總體強(qiáng)度的評(píng)估并比較結(jié)果。由于方法一的每一種方案都需人力進(jìn)行模型創(chuàng)建和后續(xù)處理，工時(shí)周期較長，此處選擇方法二來快速完成各方案的評(píng)估。

2.2 改造方案結(jié)果對(duì)比分析

初始方案在工作海況等升級(jí)后，強(qiáng)度不滿足的部位主要是各個(gè)連接處，通過分析動(dòng)態(tài)結(jié)果，平臺(tái)對(duì)三個(gè)方向的扭矩特別是縱向扭矩，平臺(tái)剛度不足以抵抗扭矩的作用。在進(jìn)行剛架梁優(yōu)化時(shí)，對(duì)于桿(殼)單元主要是基于經(jīng)典的梁彎曲理論［6］，空間桿單元的桿件除了可能承受軸力和彎矩的作用外，還可能承受扭矩的作用，而且彎矩可能同時(shí)在兩個(gè)坐標(biāo)面內(nèi)存在。而采用剛架梁模擬簡化方法來快速評(píng)估正是利用了剛架梁的這種受力特點(diǎn)。結(jié)合本半潛平臺(tái)的實(shí)際情況，試驗(yàn)了多種添加剛架梁組合的方案。這里主要列出兩種組合方案如圖3 和圖4 所示，兩種方案都在同側(cè)立柱之間增加對(duì)角斜撐管，并且同時(shí)在首尾部甲板底部中間位置連接到左右舷立柱底部的八字斜支撐管，下船體中所不同的是方案一采用兩個(gè)交叉管支撐結(jié)構(gòu)分別連接中部立柱和首部立柱，而方案二則采用一個(gè)大交叉支撐管結(jié)構(gòu)分別連接首尾立柱之間，并在中部兩個(gè)小立柱之間添加一個(gè)輔助支撐管連接。為保證撐桿梁元端部的節(jié)點(diǎn)與板殼模型節(jié)點(diǎn)連接以使端力和彎矩正確傳遞到主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)的實(shí)際連接范圍，在操作有限元分析軟件ABAQUS 時(shí)，一定要保證梁元端部節(jié)點(diǎn)與板殼模型中艙壁交叉處的節(jié)點(diǎn)重合并合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)方案總體分析結(jié)果如圖5 所示，主要位置板的屈服應(yīng)力情況對(duì)比如表3 所示。

圖3 方案一Fig.3 Project 1

圖4 方案二Fig.4 Project 2

從試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)來看，兩個(gè)方案所有同側(cè)立柱之間的剛架梁所引起的應(yīng)力敏感程度較小，說明此處平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒有問題，不需添加支撐結(jié)構(gòu)。對(duì)于首尾甲板以下增加的斜撐，由于甲板載荷和甲板上各模塊重量的作用，兩種方案的應(yīng)力程度近似而且也比較敏感，確定需要添加此處的斜撐。從兩個(gè)方案在四個(gè)主立柱上產(chǎn)生的應(yīng)力敏感程度比較來看，兩個(gè)方案在外殼上基本一致，而在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，方案二的應(yīng)力反應(yīng)更為敏感。對(duì)于中部小立柱，兩個(gè)方案在內(nèi)部基本相同，方案一在外殼上的應(yīng)力反應(yīng)敏感程度明顯較大。

表3 兩種方案下主要位置板的屈服應(yīng)力情況對(duì)比Tab.3 Plate yielding stress comparison of two projects

從兩個(gè)方案自身的結(jié)構(gòu)及應(yīng)力傳遞特點(diǎn)來看，方案一水平交叉結(jié)構(gòu)每一個(gè)支撐管都是主管，都有效抵抗平臺(tái)扭矩的作用，缺點(diǎn)就是出現(xiàn)了兩個(gè)交叉點(diǎn)的同時(shí)，中部兩個(gè)小立柱承受了較大的傳遞力，導(dǎo)致此處強(qiáng)度很差而且很難加強(qiáng)。而方案二的水平交叉結(jié)構(gòu)則是兩個(gè)斜撐管為主管，通過中間交叉點(diǎn)，將平臺(tái)抵抗扭矩的力有效轉(zhuǎn)移到首尾的四個(gè)主立柱上，提高了主立柱材料利用率，避免中部小立柱的破壞，同時(shí)采用的連接兩個(gè)中間小立柱的撐管對(duì)支撐結(jié)構(gòu)有一定的平衡作用。

從兩個(gè)撐桿方案的總體穩(wěn)定性要求來看，根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式［7］計(jì)算撐桿的臨界歐拉應(yīng)力，從有限元分析結(jié)果中讀取靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)果中撐桿的軸向應(yīng)力，并求和得撐桿實(shí)際軸向應(yīng)力，與臨界歐拉應(yīng)力對(duì)比后驗(yàn)證兩種方案中撐桿的總體壓桿穩(wěn)定性都滿足要求。

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及支撐結(jié)構(gòu)自身力系傳遞特點(diǎn)以及撐桿穩(wěn)定性校核結(jié)果，選擇方案二作為最后的結(jié)構(gòu)改造方案。

圖5 總體強(qiáng)度分析評(píng)估結(jié)果Fig.5 Global yielding result

3 改造方案結(jié)果詳細(xì)分析

創(chuàng)建新方案的有限元模型，將空間剛架梁模型與原來的半潛平臺(tái)有限元總體模型合并為最新的總體模型如圖6 所示。對(duì)新方案模型，相關(guān)專業(yè)如穩(wěn)性，系泊等進(jìn)行了評(píng)估分析計(jì)算，改造后的新方案滿足穩(wěn)性、系泊方面的要求。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析方面，有兩個(gè)關(guān)鍵位置需要細(xì)化處理設(shè)計(jì)。第一個(gè)是水平交叉支撐點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮管節(jié)點(diǎn)疲勞問題，對(duì)此處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及疲勞子模型譜分析計(jì)算;第二個(gè)是各個(gè)支撐管與主體結(jié)構(gòu)的連接處，支撐管與DECKBOX 連接及中部橫撐與中間兩個(gè)小立柱之間采用圓管配合魚尾板插入連接形式，其它部分采用天圓地方即馬蹄形的過渡形式配合十字交叉板與主體結(jié)構(gòu)連接，并進(jìn)行疲勞子模型譜分析計(jì)算。按照1.2 中總體強(qiáng)度分析的流程完成新方案的總體強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖6 所示，主要結(jié)構(gòu)板殼區(qū)域的結(jié)果及利用率如表4 所示。根據(jù)ABS 規(guī)范［8］編制屈服屈曲簡化疲勞強(qiáng)度后處理程序，計(jì)算結(jié)果表明平臺(tái)板殼屈服屈曲強(qiáng)度基本滿足總體強(qiáng)度要求，平臺(tái)的stiffener，girder 也滿足規(guī)范的屈曲強(qiáng)度要求。對(duì)于簡化疲勞計(jì)算后的結(jié)果，考慮疲勞應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在幾個(gè)連接處，后續(xù)進(jìn)行連接處的疲勞子模型譜分析計(jì)算，滿足疲勞強(qiáng)度要求。最后完成該方案的所有送審報(bào)告并通過船級(jí)社審核后，最新建造的平臺(tái)實(shí)體如圖7 所示。

表4 方案改造后主要區(qū)域屈服屈曲校核結(jié)果Tab.4 Yielding and buckling result of reconstruction project

圖6 新方案的總體分析結(jié)果云圖Fig.6 Global yielding resulFWD STBD view

圖7 實(shí)際建造的平臺(tái)Fig.7 Platform constructed

4 結(jié) 語

通過有限元軟件ABAQUS 對(duì)半潛起重生活平臺(tái)進(jìn)行總體屈服屈曲強(qiáng)度分析。采用空間剛架梁模擬實(shí)際支撐管系，快速地評(píng)估各個(gè)改造方案的總體強(qiáng)度情況，通過船級(jí)社審核后實(shí)施總裝建造，該方法有利于快速地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的改造優(yōu)化，為業(yè)內(nèi)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和改造提供重要的工程參考。結(jié)果表明:

1)采用有限元分析軟件對(duì)半潛平臺(tái)進(jìn)行總體屈服屈曲強(qiáng)度分析方法正確，結(jié)果合理，平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體屈服屈曲強(qiáng)度滿足船級(jí)社的要求;

2)空間剛架梁模擬實(shí)際管系支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行各個(gè)改造方案的總體強(qiáng)度分析是可行的，符合規(guī)范提出的設(shè)計(jì)思路，并且剛架梁的總體壓桿穩(wěn)定性滿足要求;

3)方案中下船體交叉管系結(jié)構(gòu)通過特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊接方式，有效地滿足了管節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度問題，而對(duì)此類結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析需要進(jìn)一步研究優(yōu)化。

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