自升式平臺樁腿的模型試驗及數值仿真研究

胡　剛， 顧海英， 楊曉丹， 施興華

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

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自升式平臺樁腿的模型試驗及數值仿真研究

胡剛， 顧海英， 楊曉丹， 施興華

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮江 212003)

摘要自升式海洋平臺作為目前的主流裝備，越來越受到行業的關注。樁腿作為其主要的受力構件，其強度直接關系到整體結構的穩定性。通過模型試驗和數值模擬的方法探討桁架式自升式海洋平臺樁腿的力學性能。其載荷形式主要模擬風浪流對于結構的橫向作用。最后將實驗結果和數值模擬進行對比，表明豎向立管是其主要受力構件，且制造誤差對于結果的影響較大。

關鍵詞自升式平臺樁腿桁架式模型試驗數值仿真

0引言

隨著科技的發展，人們對資源的開發需求也越來越大，不斷增加的海洋勘探開發工作水深，不斷增大的工作范圍，昔日主流的坐底式平臺已無法滿足工程人員需要，這使得自升式平臺加快了發展的腳步。自升式平臺由一個駁船形船體，以及數個帶升降功能的樁腿組成。帶升降功能的樁腿作用就是將平臺提升到作業人員所要求的距離海面的指定高度，使得整個平臺可以在海上順利完成作業。它不僅可以升降樁腿，還可以升降平臺。樁腿作為其主要的受力構件，其承載能力的研究對于平臺的安全性非常重要。

目前，自升式平臺的樁腿主要有兩種形式[1]：(1) 圓柱型。主要針對淺水，并采用插銷式升降系統，改型樁腿受力均勻。當自升式平臺用于深水作業(超過60 m)時，圓柱型樁腿的重量和成本急劇增加。(2) 桁架型。可用于深水，力學性能相對復雜，且建造工藝要求很高。關于自升式平臺的研究目前主要集中于整體強度、升降機構等方面：田夢[1]等開展了550英尺自升式鉆井平臺總體設計研究，主要說明了自升式平臺船體、樁腿、樁靴以及升降機構等的設計要點；諶宗琦等[2]開展了航行工況下自升式風電安裝船的直接強度計算；許靖等[3]采用SACS軟件開展了自升式平臺桁架式樁腿的疲勞強度分析；汪怡等[4]進行了自升式鉆井平臺鉆臺強度的分析；孫景海等[5]開展了平臺升降機構的設計研究；孫亞楠等[6]針對樁靴強度開展了直接強度分析。關于樁腿強度以及相關實驗方面相對較少。本文將以樁腿為研究對象，通過模型試驗和數值仿真，開展其力學性能研究。

1模型試驗

1.1模型描述

試驗模型樁腿依據某型自升式平臺依照一定的縮尺比進行設計。樁腿模型高85 cm，水平截面為邊長29 cm的等邊三角形。模型有三個主支柱(在等邊三角形的三個頂點處)，這三根圓管半徑為3 cm，材料厚度為0.3 cm。模型側面的桁架結構材料為半徑1.5 cm，材料厚度為0.15 cm的圓管，如圖1所示。圖2為真實模型圖。

受力點選定為三個主圓管中任意一個圓管其高40 cm處，如圖1所示。

圖1　樁腿模型示意圖

1.2加載裝置及測點布置

具體的加載裝置及測量點如圖3 所示。通過測量主要受力構件(如立管)、受力復雜構件(如縱橫交錯的橫撐)的應變來獲得結構的應力分布情況。

1.3試驗步驟

圖2　真實模型圖

(1) 把電阻應變儀與應變片用導線連接好，應變儀調零。

圖3　加載示意及應力測試點布置

(2) 試樣測量。每次試驗前，試樣應力測點的位置數據、試樣受力點、結構的尺寸數據都要測量并做好記錄。

(3) 分級加載。試件布置好后，根據事先設計的外力加載范圍(加載小于120 kg)，使用加載裝置逐級加力，盡量保證加載間隔(20 kg為一間隔)，并記錄應變儀讀數。

(4) 數據記錄。逐步加載至試件，記錄加載外力及對應測點的應變。

(5) 變形記錄。在一定外載荷變化間隔時使用相機獲得試件幾何形狀，最后獲得在加載過程中試件的變形過程。

(6) 逐級卸載，并記錄應變儀讀數。

(7) 試驗加載、卸載重復兩次。

1.4試驗結果

通過逐級加載，最終獲得各級加載下的各測點的應變情況，如表1所示。通過換算，得到各級各測點的應力情況，如表2所示。

表1　各級荷載下的應變

表2　各級載荷下的應力

2數值仿真驗證

2.1數值模型

采用通用有限元軟件ANSYS[7]，建立如圖4所示的有限元模型，開展樁腿力學性能的仿真研究。該過程與模型試驗相同，通過逐級加載，獲得其應力情況。

2.2有限元分析結果

根據有限元分析結果，由每一級載荷施加時的截圖可知，產生最大應力的點，是模型試驗中產生最大應力的1號測點。1號測點的應變程度是最大的，其次是8號測點和2號測點，而8號測點的位置是在11號測點所在同一根桁架的附近位置，2號測點則是在與8號測點的關于載荷相對稱的大概位置上。有限元應力云圖如圖5所示。從有限元分析可知，1號測點和2號測點所在的兩根桁架，是樁腿受到載荷時產生應變最多的。1號測點的有限元分析結果如表3所示。

圖4　數值仿真模型

圖5　桁架式樁腿應力云圖

載荷20kg40kg60kg80kg100kg120kg應力/MPa5.313.419.223.631.235.4

3模型試驗與有限元分析對比

模型試驗的結果已在表1和表2中給出，根據試驗數據來看，應力較為集中的點，有第1，2，6，7，8等5個測點。其中表現最明顯的，是1號測點，在施加載荷達到最大值120 kg時，其應力達到了36.4 MPa，約為同一時刻6號測點(應力值第二大的測點)應力值的三倍。除此之外，有幾個測點，如第3，4，9號測點的應力值都顯得較小。

在有限元分析中，由每一級載荷施加時的截圖可知，產生最大應力的點是模型試驗中產生最大應力的1號測點，其次是8號測點和2號測點，而8號測點的位置是在11號測點所在同一根桁架的附近位置，2號測點則是在與8號測點的關于載荷相對稱的大概位置上。從有限元分析可知，11號測點和2號測點所在的兩根桁架，是樁腿受到載荷時產生應變最多的。

4誤差分析

從兩方面的對比來看，模型試驗與有限元分析出來的結果相差不多。以有限元分析中應力最大的1號測點來看，誤差分析如表4所示。

表4　1號測點誤差分析

從表4可知，兩方面的誤差較大，下面對產生較大誤差的原因進行分析。

第一，設備誤差。電子儀器隨著使用年限的增加，必然會導致誤差的產生越來越明顯。

第二，模型自身工藝導致誤差。在有限元分析里，模型是理想的，在模型的建立中每一步都沒有瑕疵，而在實際生產中，建造一個樁腿模型，會受到太多工藝的限制。

5結論

本文以桁架式自升式平臺樁腿為研究對象，開展了樁腿在橫向載荷(模擬風浪流作用)下力學性能的模型試驗和數值模擬研究。可以得出如下結論。

(1) 自升式平臺樁腿的最大受力點靠近樁靴的立管上，這在模型試驗和數值模擬中均可獲得；但橫撐的受力條件復雜，應力也相對較大。

(2) 桁架式樁腿的強度受制造工藝的影響較大，這在模型試驗和數值模擬的結果中可知。

參考文獻

[1]田夢. 500英尺自升式鉆井平臺總體設計研究[D]. 大連：大連理工大學，2013.

[2]諶宗琦，朱翔，唐永生，等.航行工況下自升式風車安裝船強度的直接計算[J]. 船舶工程, 2014, 36(Z1)：231-234.

[3]許靖，郝金鳳，丁君海，等.自升平臺桁架式樁腿疲勞分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(Z1)：174-177.

[4]汪怡，于小偉，黃曌宇.自升式平臺鉆臺結構強度分析[J]. 船舶工程, 2013, 35(Z2)：75-76.

[5]孫景海. 自升式平臺升降系統研究與設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[6]孫亞楠. 自升式海洋平臺樁靴強度分析[D]. 大連：大連理工大學，2013.

[7]ANSYS. Structural Analysis Guide, Release 12.0[S]. ANSYS Inc，2009.

基金項目：國家自然科學基金(51509113)；江蘇省重點實驗室開放基金(CJ1306，CJ1403)。

作者簡介：胡剛(1968-)，男，工程師，主要研究方向為船舶與海洋工程結構試驗。

中圖分類號P75

文獻標志碼A

The Model Test and Numerical Simulation for Legs of Jack-up Platform

HU Gang, GU Hai-ying, YANG Xiao-dan， SHI Xing-hua

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

AbstractAs the main equipment of the current mainstream, the jack-up platform is getting more and more attention in the industry. Leg is the main bearing member and the strength of leg is directly related to the stability of the whole structure. The mechanical performance of the jack-up platform is discussed by the model test and numerical simulation. The main form is mainly to simulate the lateral action of wind, waves and current in the structure. Lastly, the experimental results are compared with the numerical simulation. It is indicated that the vertical pipe is the main bearing component and the manufacturing error has a greater impact on the results.

KeywordsJack-up platform legTruss typeModel testNumerical simulation