大型浮式平臺結構強度

文 艷， 張云峰， 崔桂媛， 王 超

(1.上海外高橋造船有限公司， 上海200137； 2.上海外高橋造船海洋工程有限公司， 上海200137)

0 引 言

我國海岸線綿長，領海廣闊，海洋資源豐富。大型浮式平臺可作為海洋資源開采過程中的中轉站，為其提供安全支持。大型浮式平臺需長期在海中作業，其在波浪載荷作用下的結構強度往往是設計者最關心的部分。

大型浮體往往由很多模塊通過連接器進行連接，單個模塊在尺度上類似于半潛平臺或大型集裝箱船。國內外很多學者對類似于大型浮式平臺的大型浮體在波浪載荷作用下的結構強度進行了相關研究：楊鵬等[1]研究超大型浮體單模塊在危險載荷工況下的結構強度，曹劍鋒等[2]使用ANSYS/AQWA對浮體進行水動力響應和結構強度分析，張勇[3]分析浮式結構物在波浪中的隨機振動，李良碧等[4]基于直接強度計算方法對浮式結構物單模塊強度進行分析。另外，還有很多學者對大型浮體的水彈性響應問題進行了相關研究，文獻[5-7]從理論和計算角度對大型浮體的水彈性響應問題進行分析。

圖1 防浪圍圈型大型浮式平臺

本文基于直接強度計算方法，采用法國船級社(BV)開發的Homer軟件，對防浪圍圈型大型浮式平臺單模塊進行分析，計算其在典型海況下的結構強度問題。

1 計算模型

防浪圍圈型大型浮式平臺如圖1所示，整個平臺由6個梯形單模塊組成，模塊之間使用連接器連接。平臺主尺度如表1所示。

表1 防浪圍圈型大型浮式平臺主尺度

使用Homer軟件選取整個平臺的單模塊進行分析，此時需建立水動力模型、濕表面模型和有限元結構模型，3種模型如圖2所示。

圖2 平臺單模塊模型

圖3 邊界條件示例

1.1 邊界條件

目前國內仍然缺乏類似平臺的設計規范，本文選取中國船級社(CCS)的《鋼質海船入級規范》(2015版)規定的邊界條件進行設置。在結構強度計算過程中需消除剛體位移，本文選用3個約束點消除剛體位移。本平臺單模塊不像船舶具有關于中縱剖面的對稱特性，因此選取在艉部第一道橫艙壁兩端以及在艏部第一道橫艙壁中心位置設置約束點，約束點1約束x、z兩個方向的線位移，約束點2約束y、z兩個方向的線位移，約束點3約束y、z兩個方向的線位移。邊界條件如圖3所示。

1.2 計算工況

防浪圍圈型大型浮式平臺應用海域是南海中北部潟湖內和南海南部無臺風區，該海域為開放海域，區域水深在30～50 m，平均水深約40 m。根據《鋼質海船入級規范》(2015版)規定，浪向不少于7個，取0°～180°，間隔為30°。波浪頻率為0.2～1.5 rad/s，間隔為0.05 rad/s。根據《大型浮式平臺環境載荷設計基礎》選擇作業工況和自存工況作為設計工況，兩種工況的參數如表2所示。

選用平臺單模塊中橫剖面的總縱彎矩作為載荷控制參數,船體中部剖面總縱彎矩的時域歷程曲線如圖4和圖5所示。

表2 平臺單模塊有限元直接計算工況

圖4 作業工況下船體中部剖面總縱彎矩時域歷程曲線 圖5 自存工況下船體中部剖面總縱彎矩時域歷程曲線

2 計算結果

選取作業工況和自存工況下截面11總縱彎矩的最大值，各個彎矩最大值如表3所示。

兩種典型工況的變形如圖6和圖7所示，可以看出，最大變形位置發生在平臺底板處，但作業工況下主要是整體變形，自存工況的板格變形較為明顯。

表3 各個工況最大彎矩

圖6 作業工況下結構變形 圖7 自存工況下結構變形

兩種典型工況的結構應力如圖8和圖9所示，不難發現，作業工況下高應力區域主要集中在甲板板格處，而自存工況下高應力區域主要集中在靠近艙壁處。

圖8 作業工況下結構應力云圖 圖9 自存工況下結構應力云圖

3 結 論

根據《大型浮式平臺環境載荷設計基礎》選擇作業工況和自存工況為設計工況，采用法國船級社(BV)開發的Homer軟件進行計算，對比兩種工況的計算結果可以得出以下結論，對防浪圍圈型平臺結構設計具有指導意義。

(1) 防浪圍圈型大型浮式平臺單模塊隨著波浪載荷變化，其結構的最大變形和最大應力并不集中在一處。

(2) 隨波浪載荷的增大，結構高應力區域逐漸向艙壁與甲板連接處移動，應關注該處的強度問題。

(3) 由于結構沒有關于中縱剖面的對稱性，在右舷下方設置有多道橫艙壁，但左舷橫艙壁較少，導致應力向右舷集中，在實際建造過程中應適當補強。