自升式多功能作業(yè)支持平臺(tái)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(tái)屬于海上移動(dòng)平臺(tái)，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(tái)的數(shù)量占海上移動(dòng)平臺(tái)數(shù)量的2/3以上，平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是平臺(tái)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，其中正常作業(yè)工況和風(fēng)暴自存工況是平臺(tái)作業(yè)的最基本工況。

自升式多功能作業(yè)支持平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)由主船體和活動(dòng)樁腿兩部分組成。平臺(tái)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(fēng)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(cè)系統(tǒng)﹑液壓系統(tǒng)﹑通訊系統(tǒng)及監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等，可以提供海上平臺(tái)進(jìn)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(jì)性﹑適用性等方面突出的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)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(tái)SE300LB為例，闡述采用有限元分析方法，基于ABS海上移動(dòng)平臺(tái)建造及入級(jí)規(guī)范，考慮平臺(tái)工作載荷﹑風(fēng)﹑浪﹑流等環(huán)境載荷，應(yīng)用MSC.Patran/Nastran軟件對(duì)平臺(tái)的船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)與模型

該平臺(tái)為方形主船體，總長(zhǎng)84.5 m﹑型長(zhǎng)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(zhǎng)度為90 m；每個(gè)樁腿由下端的長(zhǎng)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(tái)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(jì)，甲板面積為1 500 m2，最大可變載荷為1 800 t；設(shè)置1臺(tái)主吊機(jī)和1臺(tái)輔吊機(jī)，主吊機(jī)吊重能力為190 t﹑輔吊機(jī)吊重能力為20 t，可以滿足平臺(tái)的功能要求。

自升式平臺(tái)由于作業(yè)環(huán)境的特殊性，平臺(tái)受到各種復(fù)雜的環(huán)境載荷，需要利用有限元軟件對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)建立有限元模型，分析平臺(tái)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(tái)強(qiáng)度分析中，首先建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，使計(jì)算模型能夠模擬出實(shí)際的工作狀態(tài)；確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受到的各種作業(yè)工況的載荷；然后對(duì)平臺(tái)在操作和風(fēng)暴自存工況下的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行有限元分析，這是研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度非常有效的方法。在使用有限元軟件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行建模時(shí)，需對(duì)平臺(tái)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?jiǎn)卧桶鍤卧毫簡(jiǎn)卧糜谀M樁腿﹑強(qiáng)橫梁﹑底肋板﹑縱桁﹑艙壁垂直和水平扶強(qiáng)材等強(qiáng)力構(gòu)件；板殼單元用于模擬主甲板﹑直升機(jī)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(tái)有限元模型中，坐標(biāo)系是采用船體尾部基線中心與底層甲板平面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以平臺(tái)的縱向即由尾部往首部方向?yàn)閄軸正方向﹑由右舷往左舷方向?yàn)閅軸正方向﹑往上層甲板方向?yàn)閆軸正方向；模型中共有約396 000個(gè)單元（包括梁?jiǎn)卧桶鍐卧┅p268 000個(gè)節(jié)點(diǎn)；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(fēng)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(tái)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(jì)算

4.1 平臺(tái)固定載荷

4.2 平臺(tái)可變載荷

平臺(tái)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(dòng)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(guò)相應(yīng)的艙室施加壓力載荷實(shí)現(xiàn)；上甲板負(fù)荷設(shè)計(jì)為5 t/m2（均布在上甲板面上）；平臺(tái)最大可變載荷設(shè)計(jì)為1 800 t。

4.3 環(huán)境載荷

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

（1）風(fēng)載荷

根據(jù)ABS自升式移動(dòng)平臺(tái)建造及入級(jí)規(guī)范，風(fēng)載荷按下列公式計(jì)算：

式中：Vk — 設(shè)計(jì)風(fēng)速；

Ch—高度系數(shù)；

Cs —形狀系數(shù)；

D —桿件直徑；

L —樁腿長(zhǎng)度（按照高度分段計(jì)算）。

施加到主船體﹑生活樓﹑升樁裝置﹑樁腿結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷，按風(fēng)壓直接作用在結(jié)構(gòu)表面上計(jì)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(jì)算，即Morison方程和線性繞射/輻射理論進(jìn)行計(jì)算。本平臺(tái)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(jì)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(jì)波的波長(zhǎng)，m；

μ — 垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果

5.1 位移計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果

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

式中：Fy — 材料屈服強(qiáng)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(tái)船體結(jié)構(gòu)在操作工況和風(fēng)暴自存工況下各個(gè)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(fēng)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(qiáng)度評(píng)估可用應(yīng)力比值來(lái)衡量，應(yīng)力比值是指實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。從表5計(jì)算結(jié)果可知，最大的應(yīng)力發(fā)生在平臺(tái)風(fēng)暴自存工況為314.3 MPa，應(yīng)力比值為0.98，表明平臺(tái)船體結(jié)構(gòu)在30 m作業(yè)水深的操作工況和風(fēng)暴自存工況下，都能滿足相關(guān)規(guī)范強(qiáng)度要求。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)自升式多功能作業(yè)支持平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析，應(yīng)用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件建立模型來(lái)計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是一種非常有效的方法。分析軟件可以模擬計(jì)算出平臺(tái)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(tái)可靠性和安全性的基礎(chǔ)上優(yōu)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)，使平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)性，節(jié)省建造成本。