海洋平臺結構安全性評估方法集成技術

單威俊，許 方，金建海，周 煒

(中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

海洋平臺結構安全性評估方法集成技術

單威俊，許 方，金建海，周 煒

(中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

研究海洋鉆井平臺結構安全性評估程序集成技術，介紹集成系統的實現流程和功能模塊。該系統是以Orient平臺為基礎開發的一套集成化仿真軟件，實現包括前后處理的水動力性能預報和結構安全性分析過程。具有方便的使用界面、合理的輸入輸出接口、優良的計算結果實時顯示和后處理功能，提供標準規范化的接口，使設計過程規范化和自動化，在設計階段即可把握設計方案的綜合性能，提高工作效率。

海洋平臺;結構;安全性;集成

0 引言

在信息化背景下，海洋平臺的安全性評估方法需要通過計算機技術加以實現和推廣應用。美國、荷蘭、挪威和日本等海洋工程技術發展較早的國家，在結構強度和疲勞分析等方面都發展了各自的數值計算方法和軟件，可以預報深海平臺的結構響應、強度和疲勞等。國際上也有該類商業化應用軟件，如DNV開發的面向海洋工程分析的SESAM軟件包，包括前后處理、水動力計算、結構強度分析和疲勞強度分析等功能。另外還有其他國家開發的軟件包如Hydrostar，WAMIT，VMOOR等。我國海洋平臺安全性評估研究起步較晚，近年來，相關科研院所以及高校進行了大量海洋平臺的安全性評估基礎技術和共性技術研究，并陸續開發了一系列相關計算程序，同時在國外商用軟件基礎上積累了一定的使用經驗，但國內軟件的技術水平與應用程度，與國外相比還有很大的差距［1］。因此，除了需要開發或完善這些評估計算軟件，更需要開發友好的前后處理功能模塊，并形成集成軟件，才能提高軟件的易用性和可靠性，進而真正推廣這些評估軟件的應用，以提高我國海洋平臺安全性評估水平，提升深海海洋工程裝備研制能力［2］。

平臺安全性評估方法研究主要指平臺結構的可靠性分析與安全性評估和油氣作業的安全性分析與評估兩方面。本文主要針對海洋平臺的結構安全可靠性，分析相關方法，形成安全性評估預報集成軟件。其技術特色和創新點為:在我國海洋鉆井平臺總體和結構性能自主研究的基礎上，引進、消化和吸收當前國際上海洋平臺結構可靠性和安全性預報、評估新技術。以半潛式鉆井平臺為基礎，分析在我國近海海況下平臺波浪載荷預報、水動力學特性、結構可靠性。

1 流程設計

該系統前臺是以Orient平臺為基礎，根據專業分析需要定制界面，后臺集成專業人員研制的求解程序。主要功能是對海洋半潛鉆井平臺的綜合性能進行評估和預報仿真，可對海洋半潛鉆井平臺的波浪中運動性能和結構可靠性等進行全面的評估和預報。該系統針對的使用者為從事深海半潛鉆井性能預報和評估的平臺科研機構和設計院。

在Orient.CAE集成定制平臺框架基礎上，按照軟件工程思想，規范專業人員計算程序的開發，對載荷計算程序、水動力快速預報計算程序、結構安全載荷能力系數相應的計算程序進行模塊化開發與集成，固化預報與評估的使用流程和專家經驗，定制專家化的界面。其中流程中每個模塊都有直觀且交互性很強的用戶界面，支持外部模型和參數的導入，直觀自動地顯示中間和結果關鍵數據。根據海洋平臺安全性評估分析需要進行定制，如坐標系定義、環境條件參數定義、平臺屬性參數定義、以及載荷計算、水動力預報等計算方法的控制參數以及各類結果的顯示等。后臺則是對水動力性能預報等計算模塊的開發與改造。將前臺與后臺統一起來，形成一個統一的、封裝了專家使用知識和方法、可方便快捷進行海洋平臺安全性評估的集成軟件系統。集成系統流程設計如圖1所示，系統主界面如圖2所示。

表1 功能模塊Tab.1 Function module

圖1 流程設計Fig.1 Process design

圖2 主界面Fig.2 Main interface

圖2中主界面分為菜單欄、設計導航窗口、圖形顯示窗口3個部分。功能窗口包括相關的預報和分析操作:平臺參數，水動力性能預報、結構可靠性分析。圖形顯示窗口為三維模型和二維曲線顯示區域。

2 平臺參數

平臺主參數是鉆井平臺進行安全性分析所需使用的公共參數，包括全局坐標系的定義，主尺度參數和平臺模型。在使用各個模塊進行預報和評估之前，首先需要設定鉆井平臺參數。其中的全局坐標系為程序內置，僅在集成系統給出示意圖，提示分析人員按照示意圖中的指示給定平臺參數。結合分析人員多年的使用經驗［3］，本集成系統目前支持導入SESAM Genie模塊輸出的模型、Iges格式CAD模型文件、bdf模型文件、mesh模型文件4種格式，并能三維顯示;提供手工建模功能模塊。

表2 平臺參數Tab.2 Parameters of platform

3 水動力性能預報

水動力性能預報采用STF切片理論，假定平臺的橫向運動 (橫蕩、橫搖、首搖）和縱向運動 (縱蕩、垂蕩、縱搖）相互獨立，可以分別進行規則波運動響應預報;計算中，流體動力的粘性成份只考慮對橫搖阻尼的影響，平臺的橫搖阻尼由興波、粘性、興渦和升力項等組成;不規則波中運動預報采用線性疊加原理，由非線性阻尼和橫搖引起的橫向運動的非線性采用橫搖角的非線性迭代進行計算［4］。進行水動力性能預報時，首先要設置環境條件參數和控制參數，然后提交計算，計算完成后可以查看計算結果。

環境條件設置中，風、流、浪、頻率和方向均可設置多個，分別設定名稱并設置相關參數如參考位置、剖面系數、平均風速，流的方向、流速，浪譜的類型、譜峰值參數、有義波高、譜峰周期等［5］。設定的環境條件統一保存在工程數據文件中管理，進行安全性分析計算時統一提取。設置頻率時，輸入頻率名稱后可選擇頻率、周期、波長或者無因次頻率方式設定，并能根據設置的開始、結束和間隔，自動插入多個頻率值。

圖3 頻率設置界面Fig.3 Set the frequency

圖4 方向設置截面Fig.4 Set the direction

盡管我國在海上石油勘探開發和半潛式平臺的設計建造等方面積累了一定經驗，但尚未全面掌握核心技術，形成具有自主知識產權設計能力［2］。目前我國的海洋平臺設計相關標準還是根據美國的海洋環境條件數據及其海上固定平臺設計實踐所確定的。但由于我國所建海洋平臺所處海域的海洋環境條件數據與美國的不同，將這些荷載和抗力的分項系數應用到我國海洋平臺設計中不一定準確。非常有必要結合我國海洋環境實際的數據，開展海洋平臺結構可靠安全性評估方法研究。因此，系統中環境條件的波浪散布圖可以選擇文件輸入，也集成了西北太平洋的波浪數據，根據選擇的海域可自動從數據庫中提取相應的散布圖數據，提交給分析計算程序。

圖5 波浪設置界面Fig.5 Set the wave

圖6 海域選擇界面Fig.6 Select the seas

在設置好三向運動計算點、氣隙計算點，并選擇規則波或不規則波提交求解器計算水動力系數、運動響應，加速度后，可查看平臺在規則波中運動響應RAO［6］。如縱蕩幅值、橫蕩幅值、垂蕩幅值、縱搖幅值、橫搖幅值、首搖幅值，還可以選擇不同浪向進行查看;規則波中的運動響應附加質量和阻尼系數，可以選擇查看附加質量、阻尼系數、無因次附加質量、附加質量阻尼系數;規則波點加速度響應、運動、點加速度預報值則以文件方式輸出。

4 結構可靠性分析

結構可靠性分析包括整體結構強度分析、局部加筋板LRFD設計和載荷自動加載。

圖7 結果展示Fig.7 View results

圖8 結構可靠性分析流程Fig.8 Structural reliability analysis process

整體結構強度分析mc_ultstr程序，為專業研究人員開發的半潛平臺極限強度計算程序與蒙特卡羅模擬程序的結合體。它可以在板厚、材料彈性模量及材料屈服強度不確定性的前提下，計算半潛平臺極限強度的概率特性。支持直接選擇計算文件和界面輸入2種輸入方式;本文長度單位為mm，應力單位為MPa，腐蝕速率的單位為mm/year。本程序所有加筋單元的自身坐標原點為帶板底面和腹板中心線的交點。界面輸入順序為總體參數－朝下加筋板－朝上加筋板－舷側加筋板－向下硬角單元，向上硬角單元;橫剖面單元劃分及加筋板參數輸入界面示意圖如圖9所示。

圖9 參數輸入Fig.9 Parameter input

4.1 輸入流程

1）文件輸入

由分析人員選擇本地手工編輯好的*.Dat文件，直接調用求解器計算;

2）總體參數

首先輸入加筋板數量，向下加筋板數量，向上加筋板數量，舷側加筋板數量、硬角單元數，向下硬角單元數，選擇中拱或中垂 (中拱為1，中垂為0），若不輸入總體參數，則不能進行該模塊其他參數的輸入;

3）朝下/朝上，舷側加筋板

根據總體參數中輸入的朝下/朝上，舷側加筋板數量，自動生成相應數量的單元格，在集成系統表格中編輯單元相關參數;

4）硬角單元

根據總體參數中輸入的硬角單元數量，自動生成相應數量的單元格，由分析人員在表格中編輯單元相關參數。

4.2 求解器輸入格式

求解器輸入文件為input.dat，格式為:1）每2個輸入量使用空格將其隔開。

2）第1行從左到右順序分別為:加筋板數量，向下加筋板數量，向上加筋板數量，硬角單元數，向下硬角單元數，中拱或中垂 (中拱為1，中垂為0）。

3）輸入單元時按照:朝下加筋板－朝上加筋板－舷側加筋板－向下硬角單元，向上硬角單元的順序輸入。

4）朝下加筋板和朝上加筋板按從左到右順序輸入:帶板寬度 (加強筋左右各半個板寬），帶板厚，帶板厚變異系數 (正態分布），腹板高，腹板厚，翼板寬，翼板厚，帶板中心距基線高度 (基線取在下底板外緣），板長 (梁柱長度），側向載荷q，MPa，材料屈服應力，MPa，材料屈服應力變異系數(對數正態分布），彈性模量，MPa，彈性模量變異系數 (正態分布）。

5）舷側加筋板按從左到右順序輸入:筋下半個板寬，筋上半個板寬，帶板厚，帶板厚變異系數 (正態分布），腹板高，腹板厚，下翼板寬，上翼板寬，翼板厚，帶板中心距基線高度 (基線取在下底板外緣），板長 (梁柱長度），側向載荷q，MPa，材料屈服應力，MPa，材料屈服應力變異系數 (對數正態分布），彈性模量，MPa，彈性模量變異系數 (正態分布）。

6）硬角單元按從左到右順序輸入:帶板寬，帶板厚，帶板厚變異系數 (正態分布），腹板高，腹板厚，帶板中心距基線高度 (基線取在下底板外緣），側向載荷q，MPa，材料屈服應力，MPa，材料屈服應力變異系數 (對數正態分布），彈性模量，MPa，彈性模量變異系數 (正態分布）。

以上尺寸單位均為mm。

由集成系統將輸入參數保存為求解器的輸入格式文件，調用求解程序進行計算;求解器輸出結果文件:result.txt，結果文件為n行一列的散點結果值。輸出文件為指定循環次數下的極限強度計算結果，若循環次數為50 000次，result.txt中便有50 000組數據，N·mm。集成系統分別調用Matlab的散點圖、正態分布擬合和對數正態分布擬合的方法畫出極限強度計算結果的擬合曲線。

局部加筋板LRFD設計程序，為基于一次二階矩法，采用Matlab二次開發技術編寫的半潛平臺加筋板計算程序，主要由2個部分組成:1）半潛平臺加筋板極限強度計算程序，此模塊中又包含了無測壓加筋板極限強度模型和有測壓加筋板極限強度模型;2）半潛平臺加筋板LRFD分項安全因子標定程序，在靜水荷載、波浪荷載、動荷載情況下的加筋板LRFD設計公式將為如下形式:

圖10 極限強度計算結果Fig.10 Limit strength results

式中:g為極限狀態方程;fSW為靜水彎矩引起的應力;fW為波浪彎矩引起的應力;fWH為動力彎矩引起的應力;kW為荷載組合系數;kWH為荷載組合系數;Fu為結構抗力;φFu，γfsW，γfW，γfWH為分項安全因子。

4.3 自動加載模塊操作方法

自動加載模塊是手工方式在Ansys中提取模型節點信息。操作方法如下:

1）啟動Ansys，打開半潛平臺有限元模型;

2）選擇浮體表面 (CMSEL，S，NEWFUTIBIAOMIAN），顯示面 (aplot），選中屬于面的部分 (ALLSEL，BELOW，AREA），從選中單元中選擇面單元(ESEL，R，TYPE，2），選擇屬于面單元的節點(ALLSEL，BELOW，ELEM）;

3）選擇浮體肋骨框上的線 (CMSEL，S，NEWLEIGUKUANG），選擇屬于線的節點 (NSLL，R，1），顯示節點 (nplot）;

4）保存節點文件到node文件 (NLIST，ALL，，，，NODE，NODE，NODE），file＞save as。

圖11 LRFDFig.11 LRFD

圖12 Ansys模型Fig.12 Ansysmodel

4.4 節點轉換

1）選擇Ansys有限元模型中手工提取的平臺節點文件;

2）由集成系統調用節點轉換程序完成節點轉換;3）輸出轉換結果文件node.dat;

4.5 靜水載荷

1）設定站數;

2）輸入各站處的靜水剪力和靜水彎矩;

3）生成靜水載荷文件STill.dat;

4）文件格式說明:第1列為站號;第2列為靜水剪力，t;第3列為靜水彎矩，t·m。

4.6 波浪載荷

1）輸入半潛平臺的垂線間長PLP，剪心高度Xs，站數;

2）首部剖面各站處的垂向剪力、垂向彎矩、水平剪力、水平彎矩和扭矩;

3）生成波浪載荷文件CH.DAT;

4）文件格式說明。

從尾部往首部排列。其中第1行分別為垂線間長和剪心高度，m，第2行為站數，第3行為空行，第4行開始為載荷文件;其中第1列為垂向剪力，MN;第2列為垂向彎矩，MN·m;第3列為水平剪力，MN;第4列為水平彎矩，MN·m;第5列為扭矩，MN·m。垂向彎矩從波浪載荷預報程序輸出文件中讀取。

4.7 載荷加載

1）以node.dat，STill.dat，CH.DAT作為輸入文件;

2）由集成系統調用求解程序進行載荷計算;

3）輸出載荷加載文件file.s01;

4）選擇Ansys安裝目錄，由程序將生成的file.s01更名為semi.s01存放到Ansys目錄下，并啟動Ansys;

5）Ansys中點擊Main menu＞solution＞Load stp option＞Read LS file，在出現的對話框中輸入1，點擊確定，完成加載;

6）在Ansys中完成計算并查看結果云圖。

圖13 Ansys分析結果Fig.13 Ansys results

5 結語

本文依托Orient集成平臺，基于中國近海海況下，對高階水動力快速預報計算程序、平臺結構安全載荷能力系數預報程序的集成技術進行研究。結論如下:

1）針對中國近海海況，研究了復雜海況下水動力性能預報，為海洋平臺的安全性評估預報奠定基礎;

2）針對深海半潛式鉆井平臺，開展水動力計算方法研究;

3）首次在Orient.CAE集成定制平臺上，集成開發我國近海海況下海洋平臺安全性評估方法軟件，形成自主知識產權的深海半潛式鉆井平臺結構安全評估軟件，可以為深海半潛式鉆井平臺設計提供服務。

［1］陳剛，吳曉源.深水半潛式鉆井平臺的設計和建造研究［J］.船舶與海洋工程，2012(1）:9 －14.

CHEN Gang，WU Xiao-yuan.Semi-submersible drilling platform design and construction research［J］.Naval Architecture and Ocean Engineering，2012(1）:9 －14.

［2］欒蘇，韓成才，王維旭，等.半潛式海洋鉆井平臺的發展［J］.石油礦場機械，2008，37(11）:90 －93.

LUAN Su，HAN Cheng-cai，WANG Wei-xu，et al.Development of semi-submersible rig［J］.Oil Field Equipment，2008，37(11）:90 －93.

［3］ZHAO Zeng-hui，GAO Jing-gui，DU Zhi-hong.Idle power compensation of offshore drilling platform electricity system and harmonic restraint［J］.Computer Knowledge and Technology，2008，17(53）:1514 －1515.

［4］鐘文軍，王琮，羅超，等.超大型半潛式起重鋪管平臺結構設計研究［J］.中國海洋平臺，2012，27(6）:18 －26.

ZHONGWen-jun，WANG Zong，LUO Chao，et al.Research on structure design of ultra-large semi-submersible crane and pipelaying vessel［J］.China Offshore Platform，2012，27(6）:18－26.

［5］張亮，鄧慧靜.浮式風機半潛平臺穩性數值分析［J］.應用科技，2011，38(10）:13 －17.

ZHANG Liang，DENG Hui-jing.Numerical analysis on stability of the semi－submersible platform of floating wind turbines［J］.Applied Science and Technology，2011，38(10）:13－17.

［6］王世圣，謝彬，曾恒一，等.3000米深水半潛式鉆井平臺運動性能研究［J］.中國海上油氣，2007，19(4）:277－280.

WANG Shi-sheng，XIE Bin，ZENG Heng-yi，et al.Study on motion performance of 3 000 meters deep－water semisubmersible drilling platform［J］.China Offshore Oil and Gas，2007，19(4）:277－280.

Research on integration technology of offshore platform structural safety assessmentmethod

SHANWei-jun，XU Fang，JIN Jian-hai，ZHOUWei
(China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China）

In this paper，the integration technology of offshore drilling platform structure safety assessment process is studied.It describes the implementation process of the integrated system and function modules.The system is a set of integrated simulation software，developes based on the Orient platform，including pre-post treatment of the hydrodynamic performance forecasting and structural safety analysis process.It provides a convenient user interface，reasonable input and output interfaces，results been displayed in real time and excellent post-processing functions.Standardization and normalization interface，design process standardization and automation have been made.The overall performance of the design can grasp in the design stage and improve work efficiency.

offshore platforms;structure;security;integration

TP391

A

1672－7649(2014）04－0036－07

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.007

2013－06－07;

2013－07－12

上海市科學技術委員會資助項目(［2012］12231203700）

單威俊(1982－），男，碩士，從事CAE二次開發技術研究工作。