基于數值分析的半潛式海洋平臺結構強度計算

陳 悅

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226000）

0 引言

海洋平臺作為海洋資源開采及確保海上軍事安全的基礎性工具，一直是各國海洋裝備開發的首要任務[1]。近些年來，海洋資源的開發步伐已經從一開始的淺海慢慢發展到超深海區域，半潛式平臺也已經從第一代發展到了第七代[2]。但與此對應的是半潛式海洋平臺工作環境越發惡劣，承受載荷更加復雜，平臺結構承受著巨大的外力作用，保證半潛式平臺在惡劣海況下的結構強度滿足安全要求已經成為設計過程中的重要問題之一[3]。

本文以某深海半潛式海洋平臺為研究對象，基于數值方法對該平臺結構強度進行直接計算分析。首先，參考DNV現有的海洋結構物疲勞規范，基于DNV開發的SESAM/HydroD實現本文半潛式平臺的波浪載荷預報工作。其次，基于有限元軟件MSC.Patran建立目標平臺的整體有限元模型，再利用Nastran完成了目標半潛式平臺的結構響應計算，并對計算結果進行分析。

1 半潛式平臺結構參數

以南海某半潛式海洋平臺作為本文的研究對象，該平臺結構采用船殼式上部箱體結構、四立柱、雙浮體、雙橫撐和無斜撐的設計。本章計算分析時共參照兩種不同的坐標系：1）輸入坐標系（Input Coordinate System）；2）全局坐標系（Global Coordinate System）。輸入坐標系為浮動坐標系，平臺的重心、浮心和自由表面等都參考此坐標系確定，半潛平臺的六自由度運動、吃水變化和模型最終位置等則參考全局坐標系。本文用以計算的目標半潛平臺結構主要參數如表1所示。

表1 目標半潛平臺主要參數

2 半潛式平臺水動力載荷計算

利用DNV開發的SESAM/HydroD軟件實現目標半潛式平臺的波浪載荷預報工作。首先，基于SESAM建立目標平臺的水動力模型，在水動力分析過程中認為目標平臺為剛體，不考慮結構變形的影響[4]。計算時的波浪環境條件可以參考文獻[5]，典型波浪工況[6]的選擇如表2所示。

表2 DNV規范推薦的6個計算工況

圖1給出了半潛式海洋平臺中縱剖面縱向剪力和橫向力的載荷傳遞函數。

圖1 中縱剖面的載荷傳遞函數

3 半潛式平臺結構強度計算

3.1 半潛式平臺有限元計算模型

半潛式平臺的結構強度計算在MSC.Patran/Nastran中完成。有限元模型的合理性直接關系到半潛式海洋平臺總體強度計算的真實性，為了能夠較為真實地反映平臺主體結構的應力響應值，本文有限元模型嚴格按照圖紙進行建立，有限元模型如圖2所示。

圖2 平臺有限元模型

3.2 材料特性及應力衡準

計算目標平臺主體采用ABS-AH36級高強度鋼，為了保證其屈服強度，在橫撐與浮體、立柱與浮體、立柱與上平臺等連接區域采用ABS-EQ51、EQ56級高強度鋼。關于半潛式平臺的強度應力衡準參照CCS《海上移動平臺入級規范》[7]，平臺進行結構強度計算時，其構件強度不應大于許用應力值[σ]：

式中：σy為屈服強度；s為安全系數，s的取值與平臺所處狀態有關[8]，當平臺處于靜水工況時s取1.43，當平臺處于自存工況和作業工況時s取1.11。本文的所有計算都是以自存工況為例。

3.3 平臺結構強度計算結果分析

在有限元分析時，為了防止半潛平臺發生六自由度的剛體運動，需要對有限元模型進行相應的線位移邊界條件約束[9]。基于后處理軟件MSC.Natran對目標半潛式平臺進行整體結構應力響應分析，可以得到平臺在不同組合工況下主體結構的應力云圖。圖3為半潛式平臺在LC1～LC6工況下的結構應力云圖，具體強度計算結果如表3所示。

圖3 半潛式平臺在不同工況下的應力云圖

表3 目標平臺各載荷工況下的最大等效應力值 單位：MPa

從計算結果可以看出，海洋平臺結構總體應力分布較為均勻，應力水平合理，但平臺的各主體結構仍然存在明顯的高應力區域，這些高應力區域主要位于各主體結構的連接區域及其他局部：1）上部結構與立柱連接區域，6個載荷工況下的平均應力為252.2 MPa；2）立柱與橫撐連接區域，平均應力為287.6 MPa；3）立柱與下浮體連接區域，平均應力為306.9 MPa；4）上部箱體中間甲板與開口的連接處，平均應力為247.6 MPa。

4 結論

本文建立了基于數值計算的半潛式海洋平臺結構強度直接計算方法。從計算結果上看，橫撐和下浮體的最大等效應力全部在LC2工況，立柱的最大等效應力出現在LC1工況，上部箱體最大等效應力出現在LC3工況。LC1和LC3工況所對應的危險波浪為斜浪，而LC2工況所對應的危險波浪為橫浪，在平臺初步設計階段需要首先確保這兩個浪向下的總體強度。本文所得結論可為海洋平臺結構強度合理評估提供一定的參考。