第七代鉆井平臺典型撐桿結構極限強度研究

趙 南，竺一峰，李政杰

(中國船舶科學研究中心，江蘇無錫214082)

0 引言

對于長期處于海洋環境中的鉆井平臺而言，其受力情況十分復雜。在各種環境載荷（如風、浪、流）作用下，極易導致平臺局部結構失效，進而導致平臺整體結構失效，造成經濟損失，人員傷亡等[1]。而極限強度是結構安全性評估的重要指標，為了獲得安全的結構設計，提高平臺結構極限狀態下的生存能力，需要精確評估主要結構的極限強度[2–3]。

目前，極限強度常用的方法包括逐步破壞法[4–6]、數值仿真法[7–8]、模型試驗法[9]等。本文以第七代鉆井平臺薄弱結構撐桿為研究對象，開展撐桿結構在壓縮載荷作用下極限強度模型試驗研究，數值仿真研究等。通過本文的研究，建立第七代鉆井平臺撐桿結構模型試驗技術，掌握該結構力學特性，給出結構應力分布和變形特征情況，為該結構的進一步優化設計提供支撐。同時通過模型試驗與數值仿真的對比驗證，促進數值仿真方法的進一步發展。

1 試驗對象

本次試驗對象為第七代鉆井平臺結構的部分平臺立柱結構以及撐桿。其中立柱的高度為25 m，長度為19.25 m，寬度為18.5 m，轉角半徑為4.55 m，撐桿結構長度約為33.29 m，直徑為3.2 m，立柱和撐桿結構原型仿真模型如圖1和圖2所示。

2 相似關系

為了便于模型設計及加工，試驗采用材料屈服應力為310 MPa（根據材料試驗得出）的船用材料，主尺度及板厚縮尺比均為λ，根據相似理論得出，力的相似關系如下式：

圖1 模型試驗區域及有限元結構Fig.1 Test area and finite element model of column prototype

圖2 撐桿原型有限元模型Fig.2 Finite element model of struct

其中：Fs為 原型載荷；Fm為模型載荷。

3 試驗模型設計

根據相應的計算結果以及試驗室加載等情況綜合考慮，選定主尺度及板厚縮尺比為6。圖3和圖5為實際結構與等效模型的數值仿真模型，其中簡化模型僅采用一根撐桿結構，立柱結構按照艙壁將其簡化成1/4的模型，即模擬立柱半寬，撐桿結構內部的T型骨材采用扁鋼進行模擬。圖4和圖6為極限狀態下實際結構和等效模型的應力分布情況，可以看出簡化后的結果與實際結構的應力分布大體一致。圖7和圖8為撐桿結構數值仿真得到的失效模式，通過對比可以發現，2模型的撐桿結構的失效模式基本一致，應力分布大體相似。圖9為整個結構的載荷位移曲線，通過計算得出實際撐桿結構的極限壓縮載荷為1.60×108N，試驗模型的極限壓縮載荷為4.57×106N，轉換為實際結構后得出的壓縮載荷為1.64×108N，與原型極限載荷誤差為2.5%。通過對比可以發現，本方案的試驗模型設計合理。

圖 3原型結構數值仿真計算模型Fig.3 Finite element model of prototype

圖4 原型結構數值仿真計算模型極限狀態Fig.4 Limit statestress tensor of prototype

圖5 簡化后試驗模型Fig.5 Simplied model

圖6 簡化后試驗模型極限狀態計算結果Fig.6 Limit state stress tensor of simiplied model

圖7 撐桿原型極限狀態失效模式Fig.7 Limit state stress tensor of struct prototype

圖8 簡化模型極限狀態失效模式Fig.8 Limit state stresstensor of simplied model

圖9 載荷-位移曲線Fig.9 Load-displacement curve

4 測量系統和測點布置

模型試驗測試儀表包括靜態應變儀、位移傳感器、應變片等。圖10為模型試驗各測點布置情況，沿撐桿各跨布置20個測點，沿撐桿縱向布置，并在撐桿加載端布置位移傳感器，同時在剖面1、剖面2、剖面3布置位移傳感器。

圖10 應變測點位置Fig.10 Location of measure points

5 試驗數據處理分析

5.1 壓縮載荷作用下彈性范圍內模型試驗

壓縮載荷作用下的彈性范圍內模型試驗主要是通過多次的加載消除模型加載裝置以及工裝之間的間隙。本次試驗在彈性范圍內加載3次，應變曲線如圖11所示。可以看出，測點的應力變化基本處于線性狀態，且其加載3次前后的變化基本一致。

圖11 彈性狀態載荷應變曲線Fig.11 Load-strain curve of elastic state

5.2 壓縮載荷作用下模型極限強度試驗

圖12 為結構極限狀態下的失效模式，圖13為本次試驗得到的載荷位移曲線。可以看出，模型試驗中極限載荷為3200 kN。該載荷與設計階段的4570 kN存在較大的差異，且失效部位與數值仿真結果存在差異，極限載荷差異主要因為試驗模型的材料屈服極限約為310 MPa，相比于設計階段的極限載荷355 MPa而言略小，且其撐桿外殼的板厚與理論值相比為負公差。因此，試驗結果小于其設計模型結果。

圖12 極限狀態失效模式Fig.12 Collaspe mode of limit state

圖13 載荷-位移曲線Fig.13 Load-displacement curve

6 試驗模型仿真計算分析

為驗證數值仿真方法得出結果的可靠性，采用試驗模型的參數為基準，建立有限元模型，開展壓縮載荷作用下的結構極限承載能力仿真計算。圖14為仿真計算獲得的撐桿結構失效模式，圖15為仿真計算獲得的壓縮載荷位移曲線。可以得出撐桿結構壓縮極限載荷為3435 kN，與試驗結果相差7.3%左右，該數值仿真結果中尚未計及初始變形以及焊接殘余應力的影響，因此，本數值仿真結果精度可以滿足工程要求。

圖14 仿真計算失效模式Fig.14 Collpase mode of numerical simulation

圖15 載荷-位移曲線Fig.15 Load-dislpacement curve

7 結語

本文對模型試驗進行研究，首先開展撐桿結構模型參數設計，通過數值仿真分析驗證縮比模型設計的正確性；然后，對模型相應的彈性試驗及極限承載能力試驗進行相應的分析，通過分析主要得出以下結論：

1）本文根據相似關系進行的模型設計合理；

2）通過彈性范圍內模型試驗可以發現，模型的應變為線性狀態；

3）通過極限強度模型試驗可以看出，整個結構的失效是由撐桿結構失效所引起的；

4）本文的分析方法可為我國第七代鉆井平臺撐桿結構設計優化等提供技術支撐。