導(dǎo)管架滑移下水強(qiáng)度智能分析技術(shù)研究

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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

導(dǎo)管架平臺(tái)是近海石油開采的主要結(jié)構(gòu)物，一般在陸地建造總裝，然后拖運(yùn)至海上指定位置進(jìn)行安裝。導(dǎo)管架通常有兩種下水方式：小型導(dǎo)管架可以使用浮吊吊裝下水，而大中型導(dǎo)管架通常進(jìn)行滑移下水。典型的導(dǎo)管架滑移下水過程是導(dǎo)管架首部(在位狀態(tài)的頂部)放置于駁船尾部(導(dǎo)管架裝船位置)，通過壓載使船有一定的縱傾角度，導(dǎo)管架靠自重或者使用絞車拖拉滑移入水直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)；一般情況下，導(dǎo)管架從船艉入水，某些特殊的導(dǎo)管架也可從駁船側(cè)舷滑移入水[1-3]。導(dǎo)管架滑移下水是一個(gè)動(dòng)態(tài)的連續(xù)過程，整個(gè)過程中不僅需要關(guān)注駁船的運(yùn)動(dòng)軌跡和導(dǎo)管架的下水姿態(tài)，以保證駁船和導(dǎo)管架的穩(wěn)性，同時(shí)由于導(dǎo)管架的受力情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜且不斷變化，因此導(dǎo)管架下水強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

傳統(tǒng)的手動(dòng)分析方法，尤其是敏感性分析，由于下水狀態(tài)不同，工況數(shù)量眾多，模型體積大，修改和操作不便，使得整個(gè)計(jì)算工作量巨大;重復(fù)的勞動(dòng)又極易使設(shè)計(jì)人員疲勞和犯錯(cuò)，多個(gè)設(shè)計(jì)人員的參與又無法保證分析的進(jìn)度和質(zhì)量。在荔灣3-1導(dǎo)管架設(shè)計(jì)初期，這種情況曾一度影響了設(shè)計(jì)進(jìn)度。為此，開發(fā)出一套切實(shí)可行的“導(dǎo)管架滑移下水強(qiáng)度智能分析技術(shù)”。

國外針對(duì)導(dǎo)管架滑移下水的研究主要開始于20世紀(jì)70、80年代，基本理論依據(jù)是船舶運(yùn)動(dòng)理論和波浪力學(xué)[4]。國內(nèi)也有不少學(xué)者進(jìn)行了理論研究和數(shù)值模擬[5-8]。

目前，對(duì)于導(dǎo)管架下水運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度分析已經(jīng)在成熟的理論基礎(chǔ)上形成了一套完善的計(jì)算方法：導(dǎo)管架使用結(jié)構(gòu)分析軟件(SACS)建模和加載，然后導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)分析軟件(MOSES)進(jìn)行導(dǎo)管架下水運(yùn)動(dòng)分析，并輸出特定時(shí)刻對(duì)應(yīng)的導(dǎo)管架載荷，最后將載荷導(dǎo)入到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型中進(jìn)行強(qiáng)度校核[9]。這是目前比較通用并得到廣泛認(rèn)可的方法，本文主要討論基于該方法的導(dǎo)管架下水強(qiáng)度智能分析相關(guān)問題。

1 基本原理和假定

1.1 理論背景

(1)

(2)

這種用靜力學(xué)建立平衡方程來求解動(dòng)力學(xué)問題的方法稱為動(dòng)靜法。

1.2 計(jì)算模型簡化

典型的導(dǎo)管架滑移下水過程大致分為5個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：①導(dǎo)管架在駁船上初始位置;②導(dǎo)管架開始滑移;③導(dǎo)管架通過搖臂開始翻轉(zhuǎn)(tipping);④導(dǎo)管架與駁船開始分離(separating);⑤導(dǎo)管架和駁船在新的位置平衡。將這5個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)簡化成3個(gè)強(qiáng)度計(jì)算的基本狀態(tài)，見圖1。

圖1 導(dǎo)管架3種計(jì)算狀態(tài)

a)計(jì)算狀態(tài)是導(dǎo)管架在駁船上的初始狀態(tài)，也稱為全支撐狀態(tài)，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)①。此時(shí)下水滑撐(launch cradle)剛剛壓住搖臂，下水滑撐全部由駁船滑道(slipway)提供支撐，簡化的計(jì)算模型邊界條件見圖2a)。

b)種計(jì)算狀態(tài)是導(dǎo)管架開始滑移至翻轉(zhuǎn)之前，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)2到3(但不包括3)。此時(shí)駁船搖臂和滑道都提供支撐反力。邊界條件見圖2b)。

c)種計(jì)算狀態(tài)是導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)之后至分離，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)3到4。此時(shí)只有駁船搖臂對(duì)導(dǎo)管架下水滑撐提供支撐，邊界條件見圖2c)。

圖2 3種基本狀態(tài)的簡化模型邊界條件的比較

3種不同的計(jì)算狀態(tài)主要體現(xiàn)在導(dǎo)管架下水桁架上邊界條件不同，如圖2a)、b)、c)所示。模型的簡化考慮了以下幾個(gè)方面。

1)駁船搖臂或者滑道對(duì)導(dǎo)管架的支撐是單向支撐，因此用單向受壓單元來模擬。考慮到導(dǎo)管架在下水腿硬點(diǎn)(Hard Point,如圖3所示，指導(dǎo)管架下水腿上有強(qiáng)支撐的節(jié)點(diǎn)。)處剛度較大，所以在滑道支撐長度上相應(yīng)下水腿硬點(diǎn)處施加支撐單元。搖臂支撐單元施加在搖臂模型上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處。

2)由于下水滑撐的存在使得駁船搖臂和滑道并不直接作用在導(dǎo)管架下水腿上，所以搖臂和滑道支撐單元需要做軸向偏移，大小是下水滑撐底板下表面至下水腿中心線之間的距離。同時(shí)由于支撐單元只能提供軸向力，為了模擬摩擦力的作用，支撐單元還需要做側(cè)向偏移。

3)雖然下水滑撐的存在提高了導(dǎo)管架下水腿的剛度和強(qiáng)度，但是作為保守計(jì)算可以將其忽略。

4)雖然理論上每個(gè)瞬時(shí)的計(jì)算模型是靜力平衡結(jié)構(gòu)，但是考慮到誤差和保證求解的收斂性，需要在導(dǎo)管架上施加多余的彈簧約束。

1.3 工況選取

工況位置的選取既要能反映出導(dǎo)管架的典型受力狀態(tài)，又要在時(shí)間上盡量均勻連續(xù)。據(jù)此選擇以下幾個(gè)工況：①導(dǎo)管架初始位置；②導(dǎo)管架硬點(diǎn)位置；③導(dǎo)管架硬點(diǎn)間中間位置；④導(dǎo)管架翻轉(zhuǎn)時(shí)刻位置；⑤導(dǎo)管架分離時(shí)刻位置。

1.4 誤差估計(jì)

由于軟件本身的計(jì)算精度和誤差無法獲得，只能估計(jì)下水運(yùn)動(dòng)分析到強(qiáng)度分析的模型和邊界條件簡化以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的誤差，這種誤差也叫做中間誤差，可以通過比較MOSES和SACS軟件計(jì)算結(jié)果來衡量。如何衡量這種中間誤差并將其控制在允許范圍之內(nèi)是保證強(qiáng)度計(jì)算可信的必要條件。

這種中間誤差主要由搖臂的反力、滑道反力和約束點(diǎn)反力等來衡量，以SACS的計(jì)算結(jié)果與MOSES的計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差值在一定范圍內(nèi)為指標(biāo)。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，建議搖臂總反力相對(duì)誤差值控制在1%以內(nèi)。

表1 搖臂反力相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表

2 智能分析技術(shù)的原理

2.1 智能分析技術(shù)思路

“導(dǎo)管架滑移下水強(qiáng)度智能分析技術(shù)”的核心是能夠代替設(shè)計(jì)人員操作，完成導(dǎo)管架下水強(qiáng)度分析的自動(dòng)化；模擬設(shè)計(jì)人員的思維，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的智能化兩個(gè)方面。

傳統(tǒng)手動(dòng)計(jì)算需要先將下水運(yùn)動(dòng)分析中MOSES軟件生成的載荷轉(zhuǎn)化成為SACS軟件格式的載荷，然后將該載荷手動(dòng)導(dǎo)入到導(dǎo)管架模型中，再進(jìn)行模型的旋轉(zhuǎn)、打斷、偏移等操作,最終生成SACS計(jì)算模型進(jìn)行強(qiáng)度分析。設(shè)計(jì)自動(dòng)化的邏輯思路就是要打破這種常規(guī)，將模型和荷載分別處理，然后再組合；搖臂模型和導(dǎo)管架模型先在工況位置進(jìn)行組合、斷桿生成新的模型文件，并輸出斷桿前后新舊桿件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后依據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系將載荷重新分布生成新的載荷文件；最后將兩個(gè)新文件組合生成最終SACS計(jì)算模型。以上操作都由軟件自動(dòng)完成，并且在此基礎(chǔ)上增加多個(gè)文件同步處理的功能來實(shí)現(xiàn)敏感性分析的自動(dòng)化。

在手動(dòng)操作前，設(shè)計(jì)人員需要分析和判斷導(dǎo)管架的狀態(tài)、搖臂的位置和傾斜角度、對(duì)應(yīng)工況的載荷、摩擦系數(shù)和偏移等各種初始條件。設(shè)計(jì)智能化的邏輯思路可以將這些經(jīng)驗(yàn)和算法包括進(jìn)來，并加以開發(fā)和完善，軟件自動(dòng)輸入數(shù)據(jù)和判斷其合理性，實(shí)現(xiàn)分析的智能化。

在強(qiáng)度計(jì)算完成后，設(shè)計(jì)人員需要評(píng)判結(jié)果的可靠性，并提取某些結(jié)果進(jìn)行后處理(例如節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)環(huán)設(shè)計(jì)、BULKHEAD設(shè)計(jì)等)，設(shè)計(jì)智能化的邏輯思路可以將自動(dòng)對(duì)比并智能判斷計(jì)算結(jié)果可靠性的功能包括進(jìn)來，提高容錯(cuò)率；并自動(dòng)提取并二次處理計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)后處理的智能化。

2.2 智能分析流程和功能

依據(jù)智能分析技術(shù)思路，設(shè)計(jì)程序的核心分析流程見圖3，橢圓為需要預(yù)先準(zhǔn)備文件，矩形為中間生成文件，菱形為最終計(jì)算文件。

圖3 智能分析核心流程

根據(jù)流程圖將程序主要分為三大功能模塊：①載荷轉(zhuǎn)化和載荷敏感性歸類模塊；②下水腿斷桿和導(dǎo)管架模型與搖臂模型組合模塊；③載荷重分布和載荷與模型組合模塊。依據(jù)功能模塊進(jìn)行相關(guān)算法和框架的開發(fā)，軟件界面見圖4。

圖4 軟件界面

通過以上功能，軟件可完成導(dǎo)管架滑移下水強(qiáng)度模型建立，調(diào)用SACS進(jìn)行計(jì)算，判斷計(jì)算結(jié)果的可靠性，并可提取計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)處理后用于附件設(shè)計(jì)和報(bào)告編寫，同時(shí)提供敏感性分析的批量處理等功能，實(shí)現(xiàn)分析的自動(dòng)化和智能化。

3 結(jié)論

“導(dǎo)管架下水強(qiáng)度智能分析技術(shù)”已經(jīng)在多個(gè)深水導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)中推廣并應(yīng)用，包括LW3-1、PY4-2、PY5-1、PY34-1、LF7-2、HY7-1、HZ25-8、XJ24-3、WEN13-6等十幾個(gè)導(dǎo)管架，得到了眾多一線設(shè)計(jì)人員的好評(píng)，大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。平均每個(gè)導(dǎo)管架節(jié)省約800人工時(shí)，總共節(jié)省資金超過200萬元。并且本技術(shù)在國內(nèi)屬于領(lǐng)先水平，國外也未見相關(guān)文獻(xiàn)。目前本技術(shù)已經(jīng)形成一套成熟完善的應(yīng)用體系，包括主分析、后處理、附件設(shè)計(jì)、報(bào)告編寫和指南文件等。

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