Jack—Up中Surge Tank處甲板結構強度有限元分析

楊凱+李雪

摘 要：文章通過對Jack-Up中surge tank處甲板結構的強度校核，根據ABS船級社規范，利用FEMAP有限元軟件建模進行有限元分析，得出最大應力與船體橫搖及縱搖角度的關系。再通過ABS規范進行屈曲校核。

關鍵詞：甲板結構；強度校核；有限元分析；屈曲校核

中圖分類號：U661.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0004-03

Abstract： By checking the strength of deck structure at surge tank in Jack-Up， according to the code of ABS classification society， the finite element analysis is carried out by using FEMAP finite element software. The relationship between maximum stress and ship roll and pitch angle is obtained. Then the buckling check was carried out by ABS criterion.

Keywords： deck structure； strength check； finite element analysis； buckling check

伴隨人類能源需求的增加，陸地可利用資源逐漸減少。人們已將資源開采的目標轉向海洋，石油在海洋中有豐富的儲藏量，但大部分都處于深海巖石層以下[1]。當今海洋石油開采設施有鉆井平臺、鉆井船、FPSO等，其中自升式鉆井平臺Jack-Up為應用最多的海洋平臺。海洋工作環境惡劣，風浪聯合作用會使工作平臺瞬間傾覆，Jack-Up開采石油時，鉆頭深入海底近萬英尺，當天氣狀況惡劣時，對平臺的工作安全要求極高[2]。

從海底抽取的原油含有大量泥沙、碎石等。直接將原油導入儲油船運輸到陸地，石油公司需對原油進行初過濾[3]。若將該道工序放置在Jack-Up上進行，能極大降低成本，surge tank為散料系統中重晶石分離設備，對原油有初步過濾作用。由于surge tank處于機械甲板，對該處結構強度的研究是保證設備安全工作的第一道防線。當結構發生變形甚至斷裂時，會影響設備正常工作甚至倒塌，波及周圍設備。

因此本課題來源于工作中研究承載Jack-Up的甲板局部強度校核，surge tank位于機械甲板，由三條支腿支撐，三條支腿甲板下無加強結構。若甲板厚度不夠，直接將設備重力作用于支腿處，容易引起甲板發生較大的變形，導致甲板縱骨強度不足甚至斷裂。考慮到Jack-Up平臺自身重量的嚴格控制，盡量不增加甲板厚度，所以需要根據支腿處甲板架構做加強，分析強度是否滿足規范要求[4]。

本次研究Jack-Up中承受surge tank處甲板結構強度，該處結構由甲板及縱骨組成，由于surge tank工作重量達9噸以上，再加上工作時平臺有橫搖與縱搖加速度，若設計不當，該處結構極易發生過大變形而導致結構斷裂。因此，基于surge tank所在的甲板位置，根據ABS規范初步確定甲板結構的厚度，利用FEMAP軟件采用有限元方法分析該處結構強度是否滿足要求，再基于計算結果對結構進行屈曲校核。

1 創建有限元模型

由于surge tank設備在封閉艙室空間甲板平臺，根據ABS STEEL VESSELS 2014 PART 3 HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT CHAPTER 2 Hull Structures and Arrangements Section 3 Decks可知甲板厚度按公式（1）確定：

式中：t為板厚，單位mm；K=0.00394；a=1.5，單位mm； h=設備所在甲板距基線高度，單位m；Sb=甲板梁間距，單位mm。

由于surge tank設備所在甲板距基線的距離為1828.8mm， 所以公式（1）的h=1.828；該處甲板是縱骨架式結構，縱骨間距為609.6mm，所以公式（1）的Sb=609.6。根據公式（1）可知，承受surge tank甲板的計算板厚為t=4.747mm，由于t不小于5mm，所以初步設計的甲板厚度t=5mm。

根據ABS MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS PART 3 HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT CHAPTER 2 Hull Structures and Arrangements Section 3 Self-elevating Drilling Units可知，Jack-Up樁腿結構要滿足單幅10秒周期橫搖或縱搖15°產生的彎矩，在本研究中確定以下五種工況進行分析。

工況1.只考慮結構的自身重力

工況2.除結構自身重力外，還考慮向左舷單幅橫搖θ=15°，10秒周期

工況3.除結構自身重力外，還考慮向右舷單幅橫搖θ=15°，10秒周期

工況4.除結構自身重力外，還考慮向艏部單幅縱搖θ=15°，10秒周期

工況5.除結構自身重力外，還考慮向艉部單幅縱搖θ=15°，10秒周期

橫搖，縱搖加速度計算公式如式（2）和式（3）所示：

式中，X，Y，Z為設備重心與船舶浮心相對位置，θ為橫搖或縱搖的角度，g為重力加速度，T為周期。

在幾何模型剖分之前，要確定單元類型。

梁單元：模擬高度較小骨材，面板，像甲板縱骨、肋板加強筋、艙壁骨架等，不僅承受拉壓應力作用，還承擔彎曲應力作用。endprint

桿單元：模擬板材構件上的加強筋，只承受拉壓應力的作用。

板殼單元：多用于船體外板、各層甲板、強橫梁、縱橫艙壁、肋板、肘板、艙口圍板、生活區等。板殼單元大多采用四邊形單元，也有部分采用三角形單元。

有限元模型如圖1所示。

2 分析結果

根據ABS規范所規定的板材結構的結構強度要小于安全應力的要求，將有限元數值模擬的米塞斯等效應力的結果與安全應力相比較來判斷結構強度是否滿足要求。

米塞斯等效應力的確定如公式（4）所示：

式中：sx為板材在X方向的計算應力值；sy為板材在Y方向的計算應力值；txy為板材計算的剪力值。

安全應力[σ]的確定如公式（5）所示：

式中，sy為材料的屈服應力；FS為安全系數，FS=1.43（對于靜態載荷），FS=1.11（對于聯合載荷）

根據有限元數值模擬得到的不同工況下不同橫搖或縱搖角度對應的計算結果，建立了最大等效應力與橫搖或縱搖角度之間的對應關系，如圖2所示。從圖中可以看出，任意工況下甲板結構的最大等效應力與橫搖、縱搖角度呈線性增加的關系。不存在隨著搖晃角度的增加結構的最大等效應力急劇增加的情況，這樣在加強甲板結構時不需要考慮載荷因素的影響，不需要確定搖晃角度的臨界點，只需要針對最大的橫搖或縱搖角進行分析即可。

由于增加甲板厚度是加強結構的最簡便方法之一，因此在本研究中分析了不同板厚下甲板結構最大等效應力的變化情況。在這部分工作中，甲板厚度由初始設計的5mm一直增加到27mm，基于不同板厚的甲板結構有限元結果，建立了最大等效應力與甲板厚度之間的對應關系。通過分析得出不同工況下改變甲板厚度與最大應力值關系如圖3所示。從圖中可以看出：最大等效應力隨甲板厚度的增加逐漸減小，當甲板厚度由5mm增加至15mm時，最大等效應力迅速下降，當甲板厚度大于15mm時，最大應力下降平緩。通過分析得出采取增加甲板厚度降低最大應力方式時，最多增加15mm效果明顯。

3 屈曲校核

本研究中根據ABS規范：BUCKLING AND ULTIMATE STRENGTH ASSEMENT FOR OFFSHORE STRUCTURES （LRFD VERSION）-SECTION 2 Individual Structure Members-9 Local Buckling-9.3 Non-tubular Members Subjected to Compression and Bending Moment來進行結構屈曲強度的評估。

具有軋制或裝配板截面的構件的臨界局部屈曲，可以作為包括該截面的板部件的最低局部屈曲應力。該構件的局部屈曲應力是從以下方程得到的，相對于單軸壓縮和面內彎曲力矩。

Pr=結構的比例線性彈性極限，鋼的可作為0.6

σo=規定的最小屈服點，N/mm2普通鋼取235

σEx=彈性屈曲應力，N/mm2

E=彈性模量，2.06×105N/mm2

v=泊松比，鋼的可作為0.3

s=非支撐板組件的深度mm 甲板下角鋼面板寬度90

t=板組件的厚度 mm 甲板厚度7.9

ks=屈曲系數，如表1所示。一致壓力邊緣固定形式，取1.33

經計算σEx=686.1628，Prσo=141 σEx>Prσo

所以

工況5最大應力137.5<σCx

滿足屈曲要求。

4 結束語

本次研究Jack-Up中surge tank處結構強度得出以下結論：

（1）根據規范選擇甲板厚度不能滿足強度要求時，適當增加甲板厚度，最大應力隨甲板厚度增加逐漸減小。厚度增加到一定程度時，最大應力減小趨于平緩。

（2）當板厚及結構形式不變時，動態工況下最大應力隨橫搖、縱搖角增加呈增大趨勢。

（3）當應力滿足時還要考慮部分型材屈曲變形，強度滿足后有必要進行屈曲校核。

參考文獻：

[1]陳宏，李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述[J].中國海洋平臺，2007，6.

[2]張鵬飛，于興軍，欒蘇，等.自升式鉆井平臺的技術現狀和發展趨勢[J].石油機械，2015，3.

[3]李平書，嚴家文，任鴻.船舶結構有限元模型快速生成研究[J].船舶，2007，4.

[4]吳鴻慶，任俠.結構有限元分析[M].北京：中國鐵道出版社，2000.endprint