自升式多功能作業(yè)支持平臺船體結(jié)構(gòu)分析

黃海華，徐 勝

（深圳市惠爾凱博海洋工程有限公司, 深圳 518067）

1 前言

自升式多功能作業(yè)支持平臺屬于海上移動平臺，由于其定位精度高和作業(yè)狀態(tài)穩(wěn)定，在大陸架的油氣田支持作業(yè)中起到重要的作用。自升式作業(yè)支持平臺的數(shù)量占海上移動平臺數(shù)量的2/3以上，平臺結(jié)構(gòu)強度分析是平臺設(shè)計的主要內(nèi)容之一，其中正常作業(yè)工況和風暴自存工況是平臺作業(yè)的最基本工況。

自升式多功能作業(yè)支持平臺的主要結(jié)構(gòu)由主船體和活動樁腿兩部分組成。平臺系統(tǒng)主要包括：壓載系統(tǒng)﹑艙底水系統(tǒng)﹑沖樁系統(tǒng)﹑冷卻系統(tǒng)﹑壓縮空氣系統(tǒng)﹑疏排系統(tǒng)﹑柴油系統(tǒng)﹑海水系統(tǒng)﹑淡水系統(tǒng)﹑冷卻系統(tǒng)﹑飲用水及凈化系統(tǒng)﹑燃油凈化及供給系統(tǒng)﹑滑油系統(tǒng)﹑空調(diào)通風系統(tǒng)﹑冷藏系統(tǒng)﹑消防系統(tǒng)﹑電氣系統(tǒng)﹑生活污水系統(tǒng)﹑艙內(nèi)液位監(jiān)測系統(tǒng)﹑液壓系統(tǒng)﹑通訊系統(tǒng)及監(jiān)控報警系統(tǒng)等，可以提供海上平臺進行鉆修井作業(yè)支持﹑甲板支持﹑海上吊裝支持﹑海上生活支持等多功能作業(yè)支持，在油氣田開發(fā)中展示其在安全性﹑可靠性﹑經(jīng)濟性﹑適用性等方面突出的優(yōu)勢，國際市場對其需求量不斷增加。

本文以惠爾海工自主研發(fā)的自航自升式多功能作業(yè)支持平臺SE300LB為例，闡述采用有限元分析方法，基于ABS海上移動平臺建造及入級規(guī)范，考慮平臺工作載荷﹑風﹑浪﹑流等環(huán)境載荷，應(yīng)用MSC.Patran/Nastran軟件對平臺的船體結(jié)構(gòu)進行強度評估。

2 平臺結(jié)構(gòu)與模型

該平臺為方形主船體，總長84.5 m﹑型長64.8 m﹑型寬40.8 m﹑型深6.0 m﹑滿載吃水3.2 m。配備四根圓柱形樁腿，樁腿直徑為3.3 m﹑長度為90 m；每個樁腿由下端的長方形樁靴支撐，樁靴尺寸11.8x6.8x1.8 m3；樁腿入泥深度為3 m；平臺主甲板分為生活區(qū)和甲板作業(yè)區(qū)，生活區(qū)按照150人設(shè)計，甲板面積為1 500 m2，最大可變載荷為1 800 t；設(shè)置1臺主吊機和1臺輔吊機，主吊機吊重能力為190 t﹑輔吊機吊重能力為20 t，可以滿足平臺的功能要求。

自升式平臺由于作業(yè)環(huán)境的特殊性，平臺受到各種復(fù)雜的環(huán)境載荷，需要利用有限元軟件對平臺結(jié)構(gòu)建立有限元模型，分析平臺在各種載荷作用下，船體結(jié)構(gòu)和樁腿結(jié)構(gòu)的安全性。

在平臺強度分析中，首先建立平臺結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，使計算模型能夠模擬出實際的工作狀態(tài)；確定平臺結(jié)構(gòu)所受到的各種作業(yè)工況的載荷；然后對平臺在操作和風暴自存工況下的結(jié)構(gòu)安全性進行有限元分析，這是研究平臺結(jié)構(gòu)強度非常有效的方法。在使用有限元軟件對平臺進行建模時，需對平臺有限元模型作一些合理的假定。

有限元軟件建模主要采用了梁單元和板殼單元：梁單元用于模擬樁腿﹑強橫梁﹑底肋板﹑縱桁﹑艙壁垂直和水平扶強材等強力構(gòu)件；板殼單元用于模擬主甲板﹑直升機甲板﹑生活樓﹑底板﹑船體外圍板以及艙壁板等結(jié)構(gòu)。

本平臺有限元模型中，坐標系是采用船體尾部基線中心與底層甲板平面交點為坐標原點，以平臺的縱向即由尾部往首部方向為X軸正方向﹑由右舷往左舷方向為Y軸正方向﹑往上層甲板方向為Z軸正方向；模型中共有約396 000個單元（包括梁單元和板單元）﹑268 000個節(jié)點；樁腿在泥面下3 m處約束為邊界條件(1,1,1,0,0,0)；鋼材密度為7 850 kg/m3﹑彈性模量 E=2.06 x 1 011 Pa﹑泊松比λ=0.3。

根據(jù)工況要求，建立有限元模型如圖1﹑圖2所示。

圖1 操作工況模型

圖2 風暴自存工況模型

3 作業(yè)環(huán)境參數(shù)

作業(yè)水深：30 m

環(huán)境溫度：-10 ℃ ～ 50 ℃

海水溫度：32 ℃

表1為平臺在30 m作業(yè)水深下最大的環(huán)境條件：

表1 作業(yè)環(huán)境參數(shù)

4 載荷計算

4.1 平臺固定載荷

4.2 平臺可變載荷

平臺可變載荷主要包括：液艙的裝載和甲板載荷；作業(yè)期間需移動或消耗的物品，其中液艙的載荷（包括壓載水﹑淡水﹑燃油﹑海水等）通過相應(yīng)的艙室施加壓力載荷實現(xiàn)；上甲板負荷設(shè)計為5 t/m2（均布在上甲板面上）；平臺最大可變載荷設(shè)計為1 800 t。

4.3 環(huán)境載荷

環(huán)境載荷主要考慮風載荷﹑波浪載荷﹑海流載荷等。在施加環(huán)境載荷時，假定風載荷﹑波浪載荷﹑海流載荷的作用方向一致，考慮幾個典型環(huán)境載荷的作用角度。本平臺結(jié)構(gòu)基本左右對稱，因此在分析模型中僅考慮平臺一側(cè)的環(huán)境載荷作用角度，分別按照下列7個方向加載：0 °﹑30 °，60 °﹑90 °﹑120 °﹑150 °和 180 °。

（1）風載荷

根據(jù)ABS自升式移動平臺建造及入級規(guī)范，風載荷按下列公式計算：

式中：Vk — 設(shè)計風速；

Ch—高度系數(shù)；

Cs —形狀系數(shù)；

D —桿件直徑；

L —樁腿長度（按照高度分段計算）。

施加到主船體﹑生活樓﹑升樁裝置﹑樁腿結(jié)構(gòu)的風載荷，按風壓直接作用在結(jié)構(gòu)表面上計算。

（2）波流載荷

作用在結(jié)構(gòu)上的波流載荷，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的大小分別采用兩種不同的理論計算，即Morison方程和線性繞射/輻射理論進行計算。本平臺樁腿屬于小尺度圓形構(gòu)件（D/L≤0.2），波流載荷采用Morison公式計算：

式中：ρ — 海水密度，kg /m3；

CD— 垂直于構(gòu)件軸線的曳力系數(shù)；

CM— 慣性力系統(tǒng)；

D — 圓形構(gòu)件直徑，m;

L — 設(shè)計波的波長，m；

μ — 垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點相對于構(gòu)件的速度分量；m/s；

du/dt — 垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點加速度分量。

4.4 載荷基本工況和組合工況

見表2。

表2 載荷基本工況和組合工況

5 計算結(jié)果

5.1 位移計算結(jié)果

見表3。

表3 操作及自存工況的最大位移

5.2 樁腿支反力計算結(jié)果

見表4。

表4 操作工況及自存工況的樁端支反力

5.3 應(yīng)力計算結(jié)果

（1）根據(jù)ABS MODU規(guī)范[1]，結(jié)構(gòu)強度許用應(yīng)力：

式中：Fy — 材料屈服強度，F(xiàn)y = 355 MPa；

F.S. — 安全系數(shù)。靜載工況F.S.=1.43，組合工況F.S.=1.11。

（2）Von Mises等效應(yīng)力：

式中：σx — 單元x方向的應(yīng)力；

σy — 單元y方向的應(yīng)力；

τxy — 單元xy平面的剪應(yīng)力；

表5為平臺船體結(jié)構(gòu)在操作工況和風暴自存工況下各個方向的最大Von Mises等效應(yīng)力值。

環(huán)境載荷方向 0o o o o o o o 30 60 90 120 150 180操作工況最大值（MPa）Von Mises等效應(yīng)力 214.4 216.9 206.4 205.9 210.5 189.5 182.2許用應(yīng)力 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8應(yīng)力比值 0.67 0.68 0.65 0.64 0.66 0.59 0.57風暴自存工況最大值（MPa）Von Mises等效應(yīng)力 257.3 276.5 289.8 280.1 305.1 314.3 272.2許用應(yīng)力 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8應(yīng)力比值 0.80 0.86 0.91 0.88 0.95 0.98 0.85

結(jié)構(gòu)的強度評估可用應(yīng)力比值來衡量，應(yīng)力比值是指實際應(yīng)力和許用應(yīng)力的比值，因此比值大于1.0的結(jié)構(gòu)其應(yīng)力超出許用標準。從表5計算結(jié)果可知，最大的應(yīng)力發(fā)生在平臺風暴自存工況為314.3 MPa，應(yīng)力比值為0.98，表明平臺船體結(jié)構(gòu)在30 m作業(yè)水深的操作工況和風暴自存工況下，都能滿足相關(guān)規(guī)范強度要求。

6 結(jié)論

本文通過對自升式多功能作業(yè)支持平臺的結(jié)構(gòu)強度的分析，應(yīng)用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件建立模型來計算平臺結(jié)構(gòu)強度，是一種非常有效的方法。分析軟件可以模擬計算出平臺在各種作業(yè)環(huán)境中的位移﹑樁端支反力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等，能在滿足平臺可靠性和安全性的基礎(chǔ)上優(yōu)化平臺結(jié)構(gòu)，使平臺結(jié)構(gòu)強度達到最大的經(jīng)濟性，節(jié)省建造成本。