王宏安 蒙占彬 崔希君

摘要：本文以自升式平臺(tái)桁架腿為研究對(duì)象，通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析。以等效應(yīng)力作為參數(shù)敏感性分析的性能指標(biāo)，綜合考慮了可變載荷、桁架腿間距、弦桿距離及水深等因素對(duì)樁腿性能指標(biāo)的影響，進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析。對(duì)保證樁腿結(jié)構(gòu)的安全性及樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義，為自升式平臺(tái)桁架式樁腿設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵字：自升式海洋平臺(tái) 桁架式 ANSYS 參數(shù)敏感性

中圖分類號(hào)： TU323.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

1 緒論

作為海洋油氣勘探開發(fā)的重要裝備，自升式平臺(tái)是目前發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)式平臺(tái)，主要由平臺(tái)主體、樁腿、升降系統(tǒng)、作業(yè)裝置等組成。平臺(tái)在工作時(shí)利用升降系統(tǒng)將平臺(tái)主體舉升到海面以上，免受波浪沖擊，依靠樁腿的支撐站立在海底進(jìn)行作業(yè)。完成任務(wù)后，平臺(tái)主體下降到海面，拔起樁腿并將其升至拖航位置，即可拖航到下一個(gè)井位作業(yè)。

樁腿是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵構(gòu)件，有柱體式和桁架式兩大類。柱體式樁腿由鋼板焊接成封閉式結(jié)構(gòu)，其斷面有圓柱形和方箱形兩種，一般用于作業(yè)水深60m以下的自升式平臺(tái)。水深加大，波浪載荷更大，結(jié)構(gòu)重量增大，宜采用桁架式樁腿。它由弦桿、水平撐桿和斜撐桿組成，在弦桿上裝有齒條。樁腿可按地質(zhì)條件需要設(shè)置樁靴，樁靴的平面形狀有圓形、方形和多邊形幾種。與殼體式樁腿相比，桁架腿不僅重量輕，而且可以有效降低波浪力作用，從而降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)，是一種較為理想的樁腿型式。平臺(tái)工作水深變化較大，樁腿結(jié)構(gòu)柔性較大，在波浪等環(huán)境載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生較大位移、應(yīng)力響應(yīng)。本文以自升式平臺(tái)桁架腿為研究對(duì)象，通過ANSYS有限元分析軟件，對(duì)其進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析及性能參數(shù)敏感性分析。

2桁架式自升式平臺(tái)樁腿腿強(qiáng)度分析

2.1 桁架腿結(jié)構(gòu)

桁架腿的主要作用是支撐平臺(tái)在海上作業(yè)，并將平臺(tái)所受的載荷傳遞給海底地基。桁架腿是鏤空式結(jié)構(gòu)，由弦桿（含齒條）、水平撐桿及斜撐桿組成，截面形狀多為三角形，桁架腿下部一般連接有樁靴或樁腳箱，通過它們坐在海底，如圖1所示。

圖1 桁架式樁腿示意圖

桁架式樁腿型式有很多種，主要差別在于撐桿支撐形式的不同。常見的撐桿形式主要有三種：第一種是K型，這種型式比較傳統(tǒng)，應(yīng)用廣泛，F(xiàn)riede & Goldman公司設(shè)計(jì)的Super M2系列自升式平臺(tái)即采用此種型式。第二種是X型，這種型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只設(shè)X型斜撐桿和水平內(nèi)撐，而沒有水平撐桿。GustoMSC公司設(shè)計(jì)的MSC CJ-70系列平臺(tái)即采用X型撐桿桿。第三種是inv-K型，它采用兩個(gè)K型對(duì)接的型式，減少了水平撐桿的設(shè)置。Friede & Goldman公司設(shè)計(jì)的JU2000E新型平臺(tái)即采用此種型式。由于篇幅限制，本文以最為常見的K型桁架腿結(jié)構(gòu)建模。

2.2 參數(shù)化建模

ANSYS軟件的標(biāo)準(zhǔn)分析過程包括：建立分析模型并施加邊界條件、求解計(jì)算和結(jié)果分析三個(gè)步驟。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)而言，對(duì)模型進(jìn)行手動(dòng)修改將十分困難。為此，ANSYS軟件提供了一種以命令流方式進(jìn)行分析的功能，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)。利用APDL的程序語(yǔ)言與宏技術(shù)組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后處理結(jié)果數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。桁架腿分析過程中涉及到的弦桿、水平撐桿、水平內(nèi)撐桿、斜撐、波浪、海流、深水等一系列參數(shù)，都可以用變量參數(shù)來(lái)表示，只要改變這些變量參數(shù)的賦值就能獲得不同的設(shè)計(jì)方案的分析過程，大幅度提高分析效率。

2.3 模型抽象及簡(jiǎn)化

為了正確反映平臺(tái)主要部分之間的相互作用，本文中采用一個(gè)完整的空間模型來(lái)表達(dá)整個(gè)船體結(jié)構(gòu)。由于本文主要著眼于桁架腿的分析，模型對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。平臺(tái)主體簡(jiǎn)化為一剛性空間結(jié)構(gòu)，其主要尺寸與船體實(shí)際結(jié)構(gòu)近似，去除了對(duì)桁架腿計(jì)算沒有影響的構(gòu)件，使桁架腿傳遞垂直力和水平力更直接明了。

桁架腿通過樁靴（或樁腳箱）與地基之間相互作用，桁架腿底端實(shí)際上既不是完全剛接，也不是鉸接，而是介于兩者之間的彈性支承，可根據(jù)插樁深度和桁架腿尺度確定。因自升式平臺(tái)樁腿一般插入土中不深，按照規(guī)范中的規(guī)定，取海底以下3m處鉸支計(jì)算。環(huán)境載荷中的波浪載荷和流載荷以及樁腿自重由ANSYS自動(dòng)施加。

2.4 計(jì)算算例

(1) 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1

(2) 靜力計(jì)算及結(jié)果分析

環(huán)境載荷橫向、縱向和斜向作用時(shí)，樁腿等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示

表2

由于樁腿結(jié)構(gòu)弦管采用ASTM A514（屈服強(qiáng)度609MPa），根據(jù)規(guī)范計(jì)算其許用應(yīng)力為487Mpa，最大應(yīng)力都沒有超過許用應(yīng)力范圍。當(dāng)波流斜向入射時(shí)，樁腿的應(yīng)力最大，因此斜向入射工況為危險(xiǎn)工況，是結(jié)構(gòu)的控制工況。由以上計(jì)算結(jié)果可知，桁架腿構(gòu)件強(qiáng)度滿足要求，并有較大的儲(chǔ)備，對(duì)其參數(shù)敏感性分析是可行且必要的。

3自升式平臺(tái)樁腿性能參數(shù)敏感性分析

3.1 主要性能指標(biāo)

最大應(yīng)力分析目的是確保樁腿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度足以支持最大設(shè)計(jì)載荷。在使最大應(yīng)力保持在許用應(yīng)力以下的同時(shí)，通過要求樁腿支持最大設(shè)計(jì)載荷，可實(shí)現(xiàn)這一目的。限制的目的是防止發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。因此，本文研究考慮把樁腿結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力作為樁腿分析的控制指標(biāo)。

3.2 主要影響參數(shù)

由于海洋環(huán)境載荷的復(fù)雜性，影響樁腿性能的參數(shù)有很多。為了充分研究各個(gè)因素對(duì)于樁腿性能的貢獻(xiàn)，選取了可能影響樁腿性能的主要因素進(jìn)行樁腿參數(shù)敏感性分析，分別為水深、海流、可變載荷、桁架腿間距、弦桿距離等因素。

(1) 海流

對(duì)于海流，如果海流按流剖面的形狀進(jìn)行分類可以分為三角形流剖面、梯形流剖面和矩形流剖面。前兩者統(tǒng)稱為剪切流，后者稱為一致流。本文以三角型流剖面作為假想的流剖面，并以海面處流速作為海流參數(shù)。

(2) 平臺(tái)載荷

平臺(tái)的固定載荷包括結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備載荷。平臺(tái)可變載荷是指那些可以被消耗的、易于移動(dòng)的、數(shù)量視工況不同而變化的重量，如各液艙的配載、平臺(tái)作業(yè)時(shí)相關(guān)載荷、直升機(jī)降落對(duì)平臺(tái)的沖擊載荷、甲板吊機(jī)載荷、其他生活供應(yīng)設(shè)備等。不同工況下平臺(tái)可變載荷變化最大，因此本文以可變載荷作為敏感性分析參數(shù)。

(3) 其他參數(shù)

其他參數(shù)較多包括水深、樁腿間距、弦桿距離、節(jié)距、弦桿、外徑壁厚（弦桿、水平橫撐、水平內(nèi)撐、斜撐），這些參數(shù)對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，本文選取水深、弦桿距離、樁腿間距都作為敏感性分析的參數(shù)。

3.3 樁腿性能敏感性分析算例參數(shù)

(1) 桁架腿基本數(shù)據(jù)

桁架腿材料密度：7850 kg/m3;

桁架腿材料彈性模量：206.8Gpa

(2) 環(huán)境載荷數(shù)據(jù)

海水密度：1025 kg/m3

海流流速：0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s

(3) 水深范圍

90m、105m、120m、135m

(4) 可變載荷

3500t、4000t、4500t、5000t

(5)樁腿間距

35m、40m、45m、50m、55m

(6) 桁架腿幾何尺寸

弦桿距離：10m、11.5m、13m、14.5m

節(jié)距：3m

弦桿：Φ381mm×32mm

水平橫撐桿：Φ219×22mm

水平內(nèi)撐桿：Φ168×11mm

斜撐桿：Φ219×22mm

3.4參數(shù)敏感性分析

在不同影響參數(shù)變化的情況下桁架腿的弦桿、水平撐桿、水平內(nèi)撐桿和斜撐桿的最大應(yīng)力變化如圖2所示。

(a) 弦桿最大應(yīng)力變化 (b)水平撐桿最大應(yīng)力變化

(c) 水平內(nèi)撐桿最大應(yīng)力變化 (d) 斜撐桿最大應(yīng)力變化

圖2 不同影響參數(shù)對(duì)桁架腿各結(jié)構(gòu)的影響

從上圖中可以看出，海流的變化對(duì)樁腿的強(qiáng)度影響最為靈敏，其次是水深、可變載荷和樁腿間距，弦桿距離對(duì)桁架腿樁腿強(qiáng)度影響較小。樁腿結(jié)構(gòu)中，弦桿對(duì)桁架腿強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，水平橫撐桿及水平內(nèi)撐桿對(duì)樁腿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，這是因?yàn)橄覘U是樁腿結(jié)構(gòu)中主要豎向構(gòu)建承受著平臺(tái)主體自重并承受著來(lái)自水平方向的環(huán)境載荷。

4結(jié)論

(1) 通過參數(shù)敏感性分析表明，弦桿對(duì)桁架腿強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，水平橫撐桿及水平內(nèi)撐桿對(duì)樁腿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，樁腿設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮弦桿的設(shè)計(jì)。

(2) 基于參數(shù)化建模方法所建立的簡(jiǎn)化模型是基本合理的。其一次建模后，通過參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)多個(gè)工況，多種結(jié)構(gòu)幾何尺寸重復(fù)計(jì)算，能有效提高計(jì)算效率，減少了重復(fù)建模的時(shí)間，具有實(shí)際工程意義。

參考文獻(xiàn)

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