深水桁架式Spar平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

廖景勝，周道成，歐進(jìn)萍

(1.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024;2.大連理工大學(xué)深海工程研究中心，遼寧大連116024;3.智性科技南通有限公司，江蘇南通226010)

盡管Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中已得到應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)理論一直在不斷發(fā)展完善中，也沒(méi)有形成行業(yè)指導(dǎo)規(guī)范，因此其設(shè)計(jì)理論，尤其是強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)估方面，依然是Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)研究的重要內(nèi)容。Wang、Luo等較早地對(duì)Spar平臺(tái)基于時(shí)域分析方法進(jìn)行了總體強(qiáng)度分析［1-2］;HU等人對(duì)扶正過(guò)程的Spar平臺(tái)進(jìn)行了強(qiáng)度分析［3］;王世圣等考慮波頻載荷和低頻載荷的影響分析了Spar平臺(tái)的總強(qiáng)度［4］。上述工作雖然都進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和評(píng)估，但在Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型上，對(duì)桁架連接部位沒(méi)有進(jìn)行局部細(xì)化，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)有著顯著影響的立管系統(tǒng)也沒(méi)有考慮［5-6］。楊川等通過(guò)計(jì)算Truss Spar平臺(tái)上參考點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)譜確定波浪載荷，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［7］。由于Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)巨大復(fù)雜，以有限的幾個(gè)參考點(diǎn)的強(qiáng)度分析無(wú)法覆蓋結(jié)構(gòu)總體情況，同時(shí)在應(yīng)力參考點(diǎn)的選取上可能出現(xiàn)漏選關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證。

波浪載荷為Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的控制載荷［8］，合理確定波浪荷載十分關(guān)鍵。風(fēng)載荷、流載荷、立管力和系泊力等低頻載荷對(duì)Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)影響很大，在結(jié)構(gòu)水動(dòng)力和強(qiáng)度分析時(shí)必須予以考慮。在這些低頻載荷的作用下平臺(tái)會(huì)發(fā)生傾斜，當(dāng)Spar傾斜到最大角度時(shí)，Spar受力最大，平臺(tái)處于最不利狀況，因此應(yīng)在此最不利狀況下進(jìn)行Spar平臺(tái)的強(qiáng)度分析。

本文首先介紹Truss Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估的分析流程。以文獻(xiàn)［7］中的Truss Spar平臺(tái)為例，結(jié)合南海百年一遇的極端作業(yè)環(huán)境，建立了考慮系泊、立管系統(tǒng)的Spar平臺(tái)耦合運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)水動(dòng)力時(shí)域分析找出了平臺(tái)的最不利狀況;采用隨機(jī)設(shè)計(jì)波方法，以Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體的彎矩和剪力為控制內(nèi)力，確定Spar平臺(tái)所受的波浪載荷，考慮風(fēng)、流及系泊立管等載荷，在平臺(tái)最不利狀況下，采用有限元方法對(duì)局部精細(xì)化的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，并根據(jù)規(guī)范對(duì)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

1 分析流程

對(duì)Spar平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析首先要確定作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的外載荷。Spar平臺(tái)服役期間除受自重、靜水載荷及風(fēng)浪流環(huán)境載荷等荷載作用外，還將受到來(lái)自系泊錨鏈以及立管的力;系泊系統(tǒng)的錨鏈和立管同樣受到由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而帶來(lái)的載荷。這樣，Spar平臺(tái)的總體響應(yīng)分析需要采用時(shí)域分析的方法，建立平臺(tái)與系泊立管的耦合分析模型，以考慮平臺(tái)與系泊立管系統(tǒng)之間的耦合作用，從而獲得較為符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。

圖1 Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析流程Fig.1 Strength analysis process of Spar platform

波浪載荷為Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)的控制載荷，波浪載荷的計(jì)算采用基于三維水動(dòng)力理論的隨機(jī)設(shè)計(jì)波方法，根據(jù)百年一遇的極端海況條件，按照規(guī)定工況對(duì)波浪周期、波高及相位等進(jìn)行搜索，確定一個(gè)能在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生最大載荷的規(guī)則波，然后用這個(gè)規(guī)則波在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的波浪載荷與其他作用在平臺(tái)上的載荷組合進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。借助于AQWA軟件的時(shí)域分析模塊DRIFT計(jì)算出平臺(tái)最大傾斜狀態(tài)時(shí)的系泊力、立管力以及傾角。風(fēng)流荷載根據(jù)DNV規(guī)范推薦公式［9］進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)考慮Spar平臺(tái)傾角的影響，按最大傾角考慮。

采用有限元軟件ANSYS建立Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)有限元模型，將各典型波浪工況下的波浪載荷、慣性加速度和其他載荷以及邊界條件施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析計(jì)算出平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，并根據(jù)ABS推薦的應(yīng)力準(zhǔn)則對(duì)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核流程如圖1所示。

2 水動(dòng)力分析

2.1 平臺(tái)主尺度

Truss Spar平臺(tái)從上到下由上部模塊、硬艙、中部桁架段和軟艙組成，平臺(tái)總長(zhǎng)186 m，吃水150 m。上部模塊為三層矩形甲板桁架結(jié)構(gòu)。硬艙為多層多艙的封閉圓柱體，是整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的主要浮力來(lái)源，內(nèi)部設(shè)置有“中央井”，供頂部張緊式立管(TTR)穿過(guò)。中部分為桁架和垂蕩板，桁架在連接軟艙和硬艙的同時(shí)降低了波浪及海流對(duì)平臺(tái)的作用，垂蕩板提高了系統(tǒng)附加質(zhì)量和阻尼。軟艙存放固定壓載，降低平臺(tái)重心，以保證平臺(tái)的無(wú)條件穩(wěn)性。平臺(tái)的主尺度參數(shù)如下:

總體結(jié)構(gòu):總排水量40 429 t，重心87 m，浮心92.5 m，橫搖回轉(zhuǎn)半徑71 m，縱搖回轉(zhuǎn)半徑71 m，艏搖回轉(zhuǎn)半徑10 m。硬艙:直徑27.4 m，高度90 m，中央井邊長(zhǎng)13 m，可變壓載1 500 t。中段桁架:桁架總高度63 m，垂蕩板尺寸 27.4 m，縱向桁架直徑1.2 m，X 型桁架直徑0.6 m。軟艙:內(nèi)/外邊長(zhǎng)為13/27.4 m，高度12 m，固定壓載13 500 t。坐標(biāo)原點(diǎn)位于軟艙底部中心。

2.2 環(huán)境參數(shù)與系泊立管參數(shù)

采用南海百年一遇的極端工作海況:風(fēng)速為10 m高處1 h平均風(fēng)速39.0 m/s，流速為平均表面流速1.95 m/s，波浪采用JONSWAP波浪譜進(jìn)行模擬，其有義波高 15.0 m，譜峰周期 15.1 s。

Truss Spar平臺(tái)的水平位置和運(yùn)動(dòng)由系泊系統(tǒng)控制，采用3組共9根錨纜組成的半張緊式系泊系統(tǒng)，在預(yù)張力和自身重量的作用下形成懸鏈線形。立管系統(tǒng)由3行3列頂部張緊的豎向TTR立管組成，居于Spar平臺(tái)中央筒的中間。立管上部施加恒定的張力2 136.4 kN，由設(shè)置在其頂部的浮筒群提供。該浮筒群同時(shí)約束浮筒和Truss Spar主體間的水平相對(duì)位移，保證立管與平臺(tái)主體之間的相對(duì)位移不受影響。系泊索參數(shù)見(jiàn)表1。立管具體參數(shù):長(zhǎng)度 1 540 m，外徑 323.9 mm，等效壁厚 21.76 mm，濕容重 162.11 kg·m-1，抗拉剛度 4 270 MN，抗彎剛度 40.3 MN·m-2，抗扭剛度 31 MN·m-2。

表1 系泊索參數(shù)Table 1 Parameters of mooring line

2.3 水動(dòng)力模型和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

帶有系泊、立管系統(tǒng)的Spar平臺(tái)在時(shí)域內(nèi)的耦合運(yùn)動(dòng)方程如下:

式中:M和m是平臺(tái)結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣和水動(dòng)力附加質(zhì)量矩陣，B和C是阻尼和剛度矩陣為平臺(tái)在時(shí)域內(nèi)6個(gè)自由度上的加速度、速度和位移，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)受到的波浪力，F(xiàn)w為風(fēng)力，F(xiàn)c為流力，F(xiàn)m為系泊力，F(xiàn)r為立管力。

采用AQWA進(jìn)行平臺(tái)水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)性能分析和波浪載荷輸出，建立了Spar平臺(tái)的三維水動(dòng)力模型，首先采用Panel單元對(duì)大尺度浮體部分建立了濕表面模型。對(duì)于桁架等撐桿類(lèi)小尺度構(gòu)件，采用Morison單元建立莫里森模型。最終得到平臺(tái)主體及其系泊和立管的耦合計(jì)算模型如圖2所示。

根據(jù)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果可得到各規(guī)則波下的波浪作用在Spar平臺(tái)上的水動(dòng)壓力，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的慣性力和加速度，以及Spar平臺(tái)在百年一遇環(huán)境條件下不同風(fēng)浪流入射方向作用的平臺(tái)總體運(yùn)動(dòng)時(shí)域響應(yīng)。對(duì)Spar平臺(tái)的縱、橫運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析，在波浪入射角度為60°，風(fēng)流入射角度為45°時(shí)，平臺(tái)有最大傾角為 9.758°。

圖2 Spar平臺(tái)系泊立管耦合系統(tǒng)模型Fig.2 Spar model coupled with mooring and riser system

2.4 設(shè)計(jì)波參數(shù)

Spar平臺(tái)的浮體部分是一個(gè)在豎直方向尺度較大而在水平方向尺度較小的長(zhǎng)柱體，在波浪載荷作用下遭受著彎曲、橫向剪切作用，這個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致Spar平臺(tái)最重要的波浪工況為:最大水平彎矩狀態(tài)、最大水平剪力狀態(tài)以及硬艙底部甲板最大剪力狀態(tài)，沿軸向分布的水平彎矩、水平剪力和硬艙底部甲板剪力成為確定控制載荷的極限狀態(tài)。因此要分別對(duì)其承受的彎矩、剪切力的傳遞函數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)，并根據(jù)規(guī)范和載荷工況計(jì)算響應(yīng)，進(jìn)而確定典型波浪工況對(duì)應(yīng)的波浪參數(shù)。

為了獲得Spar平臺(tái)處于最大水平彎矩狀態(tài)、最大水平剪力狀態(tài)以及硬艙底部甲板最大剪力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的波浪參數(shù)，沿軸向在Spar平臺(tái)上設(shè)置了15個(gè)不同高度水平控制截面，編號(hào)自平臺(tái)頂部至軟艙底部分別為截面1～15。采用隨機(jī)設(shè)計(jì)波法，按照南海百年一遇的海洋環(huán)境對(duì)3種波浪工況進(jìn)行設(shè)計(jì)波分析，得到3種特征波浪工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表2。當(dāng)特征波浪工況為水平彎矩時(shí)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)波下平臺(tái)各截面的彎矩如圖3所示，圖4表示不同頻率單位波幅規(guī)則波下截面4的彎矩。

表2 設(shè)計(jì)波參數(shù)Table 2 Parameters of design wave

圖3 設(shè)計(jì)波下各截面的彎矩Fig.3 Moment on different sections under design wave

圖4 不同規(guī)則波下截面4的彎矩Fig.4 Moment on section 4 under different regular waves

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 有限元模型

采用ANSYS軟件建立了平臺(tái)的有限元模型，如圖5所示。對(duì)Spar平臺(tái)的軟硬艙內(nèi)外艙壁、硬艙內(nèi)甲板、中央井壁、垂蕩板等板殼結(jié)構(gòu)采用SHELL63殼單元進(jìn)行了模擬;對(duì)附著在軟硬艙壁和垂蕩板上的加強(qiáng)骨材采用BEAM188和BEAM189進(jìn)行模擬;中段桁架段和上部結(jié)構(gòu)的桁架采用管單元PIPE59進(jìn)行模擬，同時(shí)采用MASS21對(duì)平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)上的設(shè)備設(shè)施和軟硬艙室內(nèi)的壓載水或壓載物也進(jìn)行了模擬。針對(duì)Spar平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)與硬艙的連接處以及中段桁架與硬艙、軟艙的連接處等幾個(gè)重要連接部位，進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)精細(xì)化處理，用殼單元對(duì)連接部位進(jìn)行了建模。

圖5 Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.5 The FEM of Truss Spar structure

3.2 載荷施加和邊界條件

確定了設(shè)計(jì)波參數(shù)后，即可以通過(guò) AQWALINE計(jì)算出平臺(tái)在該設(shè)計(jì)波下的水動(dòng)壓力和慣性加速度求解出來(lái)，并通過(guò)AQWA-WAVE生成載荷文件施加到結(jié)構(gòu)有限元模型上。風(fēng)載荷以集中力的形式施加在風(fēng)力作用中心，流載荷則以壓力形式施加到對(duì)應(yīng)的殼單元上，系泊力和立管張力以集中力加載到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。平臺(tái)所受的靜浮力和由風(fēng)、流力以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起平臺(tái)傾角所產(chǎn)生的浮力變化通過(guò)APDL命令流加載到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元。

將平臺(tái)所受載荷施加在有限元模型上，為防止發(fā)生剛體位移，在平臺(tái)重心附近位置選擇了3點(diǎn)進(jìn)行六自由度的約束:Ux=Uy=Uz=0;Uy=Uz=0;Uz=0。強(qiáng)度計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示這3個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束反力很小，說(shuō)明這樣的約束邊界條件是可行的。采用準(zhǔn)靜態(tài)方法，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元計(jì)算，求解出結(jié)構(gòu)應(yīng)力以供強(qiáng)度校核。

3.3 許用應(yīng)力及計(jì)算結(jié)果

平臺(tái)采用的鋼材為高強(qiáng)鋼，其屈服極限為355 MPa，根據(jù)ABS規(guī)范［10］，板殼結(jié)構(gòu)采用VON MISES等效應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核，用實(shí)際應(yīng)力和許用應(yīng)力的比值即應(yīng)力比r來(lái)衡量，對(duì)于百年一遇的極端作業(yè)海況，安全因子取值為1.25。對(duì)于同時(shí)承受著軸向壓縮和彎曲的軟硬艙內(nèi)加強(qiáng)骨材和桁架等結(jié)構(gòu)，采用組合應(yīng)力系數(shù)s來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度校核［11］與衡量。數(shù)值越大，越接近1，表明結(jié)構(gòu)該處應(yīng)力水平高，是平臺(tái)的薄弱危險(xiǎn)部位。具體單元應(yīng)力校核如表3和表4所示，取各部位應(yīng)力極值點(diǎn)。從表3和表4中可以看出，3種計(jì)算工況下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都符合要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻，但在一些區(qū)域會(huì)出現(xiàn)高應(yīng)力。平臺(tái)的上部與硬艙連接處、硬艙與桁架連接處以及軟艙與桁架連接處等平臺(tái)關(guān)鍵連接部位的應(yīng)力水平非常高，應(yīng)力比都超過(guò)了0.9。此外，平臺(tái)硬艙外壁、防水艙室以及硬艙頂?shù)撞康膽?yīng)力水平也比較高。

計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［7］的結(jié)果相比較，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布、高應(yīng)力發(fā)生區(qū)域等是一致的，平臺(tái)關(guān)鍵連接部位、平臺(tái)硬艙外壁、硬艙頂部等區(qū)域的應(yīng)力水平都很高。本文3種計(jì)算工況下的計(jì)算結(jié)果中，最大彎矩狀態(tài)下的最大應(yīng)力比值為0.995，顯示的最大應(yīng)力部位為軟艙與桁架連接處，最大剪力狀態(tài)下的最大應(yīng)力比為0.966，最大應(yīng)力部位為上部與硬艙連接處，最大底部剪力狀態(tài)下的應(yīng)力比為0.981，最大應(yīng)力部位為硬艙與桁架連接處;而文獻(xiàn)［7］中只計(jì)算了一種工況，最大應(yīng)力比為0.993，顯示的最大應(yīng)力部位為軟艙與桁架連接處。

表3 殼單元應(yīng)力校核Table 3 Stress checking of shell element

表4 梁、管單元應(yīng)力校核Table 4 Stress checking of beam and tube element

4 結(jié)論

本文對(duì)桁架式Spar平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估進(jìn)行了深入的研究，得到如下結(jié)論:

1)建立考慮系泊和立管系統(tǒng)的Spar平臺(tái)耦合模型才能精確的預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)為獲得可靠的平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果提供基礎(chǔ);

2)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果表明:最大水平彎矩狀態(tài)、最大水平剪力狀態(tài)以及硬艙底部甲板最大剪力狀態(tài)為結(jié)構(gòu)3種極限狀態(tài)，如果少考慮其中一種極限狀態(tài)，有可能給設(shè)計(jì)平臺(tái)帶來(lái)潛在的安全威脅;

3)該平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體上是安全的，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布合理，但在上部結(jié)構(gòu)與硬艙連接處、硬艙與中段桁架連接處和軟艙和中段桁架連接處等關(guān)鍵連接部位以及水面附近的硬艙外壁等應(yīng)力水平高，對(duì)于這些應(yīng)力高、應(yīng)力集中顯著的區(qū)域應(yīng)特別關(guān)注，建議結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)或在平臺(tái)使用過(guò)程中對(duì)這些位置定期檢測(cè)和維護(hù)。

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