郭勤靜，陳書敏，徐勤花，時 磊

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司研發(fā)部，山東 煙臺 264000)

隨著全球海洋勘探和開發(fā)向深海海域發(fā)展，半潛式海洋平臺以其自身的明顯優(yōu)勢逐漸成為深海油氣開發(fā)的主要工具。半潛式海洋平臺具有造價昂貴、結(jié)構(gòu)復雜、承受載荷多樣、工況組合復雜以及設(shè)計技術(shù)難度高等特點［1］，因此半潛式海洋平臺的前期設(shè)計即基礎(chǔ)設(shè)計成為半潛式海洋平臺設(shè)計的重要技術(shù)內(nèi)容。不僅要考慮設(shè)計的技術(shù)可靠性，同時需要兼顧設(shè)計周期、效率及生產(chǎn)建造條件等。

對于基礎(chǔ)設(shè)計來說，設(shè)計初期常采用簡化的模型進行總體強度分析［2］，利用空間剛架粱模擬平臺的各個模塊并賦予適當?shù)慕孛鎸傩詠砜焖俚爻醪皆u估基礎(chǔ)設(shè)計的主要結(jié)構(gòu)對設(shè)計載荷的響應。觀察整個平臺結(jié)構(gòu)上的總體應力分布情況，根據(jù)各處應力程度不同采取相應的優(yōu)化設(shè)計方式，設(shè)計修改及優(yōu)化空間大。在設(shè)計的中期和后期，則采用梁和板殼混合模型進行具體的強度分析，一般設(shè)計到了這個階段時，設(shè)計修改及優(yōu)化的空間相對減小。對于虛擬的整個基礎(chǔ)設(shè)計來說，設(shè)計的過程如此循環(huán)往復，直到最終得到較為合理的設(shè)計結(jié)果?；谶@種基礎(chǔ)設(shè)計的思想，采用板梁模型完成一型半潛式起重生活平臺的總體強度分析，并采用剛架梁模擬實際的管支撐結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)改造方案的總體強度快速評估，從而確定合理的結(jié)構(gòu)方案并進行詳細的總體分析計算。

1 半潛式平臺總體強度分析

1.1 半潛式起重生活平臺簡介

表1 平臺主要參數(shù)Tab.1 Primary parameters of platform

該型平臺是煙臺中集來福士自主研發(fā)設(shè)計并建造的起重能力達1 100 t 的半潛式起重和生活居住平臺，普遍用于水上大型設(shè)備的安裝和打撈，能夠為其它鉆井平臺提供住宿、大型模塊吊裝及多功能貨物儲運等服務。滿足溫和海況如西非等海況時所設(shè)計的平臺主體結(jié)構(gòu)主要有下船體、橫撐、立柱和上船體構(gòu)成，橫撐結(jié)構(gòu)剖面為圓管型，分布在首尾部。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

1.2 半潛式平臺總體強度評估

1.2.1 平臺所受載荷及計算方法

作用于平臺結(jié)構(gòu)上的各種載荷可分為:永久載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、意外載荷和變形載荷等［2］。通常情況下，在對平臺進行總體強度評估時只考慮永久載荷和環(huán)境載荷［3］。永久載荷總體上包括結(jié)構(gòu)自身重量、設(shè)備和壓載艙打壓載重量等等，可以從重量報告中獲取數(shù)據(jù)。環(huán)境載荷主要包括由于波浪和流產(chǎn)生的水動力荷載、慣性力、風載荷以及雪冰等。因波浪、流、風和海水等是影響平臺正常工作的主要環(huán)境條件，波浪載荷是所有環(huán)境載荷中對平臺結(jié)構(gòu)影響最為顯著的。通常選擇百年一遇的波浪來進行波浪載荷分析，采用設(shè)計波法完成波浪載荷的分析計算，根據(jù)船級社規(guī)范考慮了如下特征載荷:平臺中縱剖面的縱向剪力、橫向分離力、橫向分離力矩、縱向扭矩，中橫剖面的垂向彎矩以及甲板中心處三個方向的加速度載荷。根據(jù)各特征載荷最大值所處浪向確定設(shè)計波浪向，根據(jù)特征載荷響應算子峰值確定設(shè)計波周期和相位等特征要素，整體海況改變以后的具體設(shè)計波的情況如表2 所示。

表2 風暴自存工況下的典型設(shè)計波Tab.2 Typical design wave of survival condition

1.2.2 總體有限元模型及計算

采用有限元分析軟件ABAQUS［4-5］多人協(xié)作建模的方法建立平臺總體有限元板梁組合模型如圖1 所示。在總體有限元模型中經(jīng)過加載(主要是永久載荷)、調(diào)平(由于模型簡化帶來的質(zhì)量分布不均衡)并計算總體質(zhì)量矩陣，同時在總體有限元模型中提取濕表面模型如圖2 所示。注意濕表面法向的一致性，根據(jù)濕表面模型，水動力采用設(shè)計波法計算平臺所受的波浪載荷即主要環(huán)境載荷。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的邊界加載方式，即3-2-1 的邊界加載方式［2］，針對不同的工況進行加載計算并完成總體強度的分析計算校核。

圖1 半潛平臺總體有限元模型Fig.1 Global FE model of platform

圖2 半潛平臺濕表面模型Fig.2 Water-surface model of platform

1.2.3 總體屈服屈曲強度校核準則

平臺總體強度分析主要包括總體屈服強度、總體屈曲強度和總體疲勞強度分析，其實際計算過程主要是通過船級社專業(yè)的計算包或者公司自身利用程序語言開發(fā)的后處理程序批量處理計算完成整個后處理計算校核。此處主要針對板殼結(jié)構(gòu)，列舉總體屈服屈曲強度校核的準則如下:

1)總體屈服強度校核準則

式中:(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t為總體單元應力分量;σe為Von-Mises Stress。σf代表材料許用屈服應力(355 MPa)，組合工況下安全系數(shù)取值1.11，許用屈服應力校核:

σe≤σf/1.11 = 355 MPa/1.11 = 320 MPa

2)總體屈曲強度校核準則

過往的海洋工程實踐表明，對于以板格為屈曲校核對象時，極限強度狀態(tài)下是必須要校核的，并且在極限強度滿足的情況下，一定的屈曲是允許的。極限強度狀態(tài):

式中:σUx，σUy，σUxy分別代表板格縱向、橫向單軸向力下的極限強度、邊緣剪切下的極限強度;φ 為強度作用系數(shù);η 為最大的許用強度利用系數(shù)。

2 平臺方案改造研究

2.1 平臺方案改造及方法

初始設(shè)計時鑒于對平臺服務海域要求比較溫和，主要是渤海、西非等海況，基礎(chǔ)設(shè)計完成后的整體結(jié)構(gòu)(如圖1)的總體強度基本滿足船級社規(guī)范要求，進行了總裝模塊化建造。隨著后期全球市場的變化及半潛海洋平臺的快速發(fā)展，對半潛平臺的功能和工作海域要求越來越高，亟需在短時間內(nèi)對該平臺的結(jié)構(gòu)方案進行升級改造?？紤]平臺受荷載情況，對平臺的結(jié)構(gòu)添加支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，支撐結(jié)構(gòu)添加方案的總體強度評估有兩種方法:方法一可以在原來的總體模型創(chuàng)建后如圖1 所示，對應每一種改造方案補充創(chuàng)建撐管的詳細的總體有限元模型，根據(jù)1.2.2 中介紹的總體強度計算方法，分別完成各個方案的總體強度校核并比較結(jié)果。方法二可以采用在原來方案總體板殼模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建剛架梁模型來模擬撐管，完成各個方案總體強度的評估并比較結(jié)果。由于方法一的每一種方案都需人力進行模型創(chuàng)建和后續(xù)處理，工時周期較長，此處選擇方法二來快速完成各方案的評估。

2.2 改造方案結(jié)果對比分析

初始方案在工作海況等升級后，強度不滿足的部位主要是各個連接處，通過分析動態(tài)結(jié)果，平臺對三個方向的扭矩特別是縱向扭矩，平臺剛度不足以抵抗扭矩的作用。在進行剛架梁優(yōu)化時，對于桿(殼)單元主要是基于經(jīng)典的梁彎曲理論［6］，空間桿單元的桿件除了可能承受軸力和彎矩的作用外，還可能承受扭矩的作用，而且彎矩可能同時在兩個坐標面內(nèi)存在。而采用剛架梁模擬簡化方法來快速評估正是利用了剛架梁的這種受力特點。結(jié)合本半潛平臺的實際情況，試驗了多種添加剛架梁組合的方案。這里主要列出兩種組合方案如圖3 和圖4 所示，兩種方案都在同側(cè)立柱之間增加對角斜撐管，并且同時在首尾部甲板底部中間位置連接到左右舷立柱底部的八字斜支撐管，下船體中所不同的是方案一采用兩個交叉管支撐結(jié)構(gòu)分別連接中部立柱和首部立柱，而方案二則采用一個大交叉支撐管結(jié)構(gòu)分別連接首尾立柱之間，并在中部兩個小立柱之間添加一個輔助支撐管連接。為保證撐桿梁元端部的節(jié)點與板殼模型節(jié)點連接以使端力和彎矩正確傳遞到主結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)的實際連接范圍，在操作有限元分析軟件ABAQUS 時，一定要保證梁元端部節(jié)點與板殼模型中艙壁交叉處的節(jié)點重合并合并為一個節(jié)點，兩個方案總體分析結(jié)果如圖5 所示，主要位置板的屈服應力情況對比如表3 所示。

圖3 方案一Fig.3 Project 1

圖4 方案二Fig.4 Project 2

從試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)來看，兩個方案所有同側(cè)立柱之間的剛架梁所引起的應力敏感程度較小，說明此處平臺主體結(jié)構(gòu)強度沒有問題，不需添加支撐結(jié)構(gòu)。對于首尾甲板以下增加的斜撐，由于甲板載荷和甲板上各模塊重量的作用，兩種方案的應力程度近似而且也比較敏感，確定需要添加此處的斜撐。從兩個方案在四個主立柱上產(chǎn)生的應力敏感程度比較來看，兩個方案在外殼上基本一致，而在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，方案二的應力反應更為敏感。對于中部小立柱，兩個方案在內(nèi)部基本相同，方案一在外殼上的應力反應敏感程度明顯較大。

表3 兩種方案下主要位置板的屈服應力情況對比Tab.3 Plate yielding stress comparison of two projects

從兩個方案自身的結(jié)構(gòu)及應力傳遞特點來看，方案一水平交叉結(jié)構(gòu)每一個支撐管都是主管，都有效抵抗平臺扭矩的作用，缺點就是出現(xiàn)了兩個交叉點的同時，中部兩個小立柱承受了較大的傳遞力，導致此處強度很差而且很難加強。而方案二的水平交叉結(jié)構(gòu)則是兩個斜撐管為主管，通過中間交叉點，將平臺抵抗扭矩的力有效轉(zhuǎn)移到首尾的四個主立柱上，提高了主立柱材料利用率，避免中部小立柱的破壞，同時采用的連接兩個中間小立柱的撐管對支撐結(jié)構(gòu)有一定的平衡作用。

從兩個撐桿方案的總體穩(wěn)定性要求來看，根據(jù)材料力學歐拉公式［7］計算撐桿的臨界歐拉應力，從有限元分析結(jié)果中讀取靜態(tài)、動態(tài)結(jié)果中撐桿的軸向應力，并求和得撐桿實際軸向應力，與臨界歐拉應力對比后驗證兩種方案中撐桿的總體壓桿穩(wěn)定性都滿足要求。

綜合試驗數(shù)據(jù)及支撐結(jié)構(gòu)自身力系傳遞特點以及撐桿穩(wěn)定性校核結(jié)果，選擇方案二作為最后的結(jié)構(gòu)改造方案。

圖5 總體強度分析評估結(jié)果Fig.5 Global yielding result

3 改造方案結(jié)果詳細分析

創(chuàng)建新方案的有限元模型，將空間剛架梁模型與原來的半潛平臺有限元總體模型合并為最新的總體模型如圖6 所示。對新方案模型，相關(guān)專業(yè)如穩(wěn)性，系泊等進行了評估分析計算，改造后的新方案滿足穩(wěn)性、系泊方面的要求。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度分析方面，有兩個關(guān)鍵位置需要細化處理設(shè)計。第一個是水平交叉支撐點處的結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際經(jīng)驗，考慮管節(jié)點疲勞問題，對此處的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計及疲勞子模型譜分析計算;第二個是各個支撐管與主體結(jié)構(gòu)的連接處，支撐管與DECKBOX 連接及中部橫撐與中間兩個小立柱之間采用圓管配合魚尾板插入連接形式，其它部分采用天圓地方即馬蹄形的過渡形式配合十字交叉板與主體結(jié)構(gòu)連接，并進行疲勞子模型譜分析計算。按照1.2 中總體強度分析的流程完成新方案的總體強度分析，結(jié)果如圖6 所示，主要結(jié)構(gòu)板殼區(qū)域的結(jié)果及利用率如表4 所示。根據(jù)ABS 規(guī)范［8］編制屈服屈曲簡化疲勞強度后處理程序，計算結(jié)果表明平臺板殼屈服屈曲強度基本滿足總體強度要求，平臺的stiffener，girder 也滿足規(guī)范的屈曲強度要求。對于簡化疲勞計算后的結(jié)果，考慮疲勞應力集中區(qū)域主要集中在幾個連接處，后續(xù)進行連接處的疲勞子模型譜分析計算，滿足疲勞強度要求。最后完成該方案的所有送審報告并通過船級社審核后，最新建造的平臺實體如圖7 所示。

表4 方案改造后主要區(qū)域屈服屈曲校核結(jié)果Tab.4 Yielding and buckling result of reconstruction project

圖6 新方案的總體分析結(jié)果云圖Fig.6 Global yielding resulFWD STBD view

圖7 實際建造的平臺Fig.7 Platform constructed

4 結(jié) 語

通過有限元軟件ABAQUS 對半潛起重生活平臺進行總體屈服屈曲強度分析。采用空間剛架梁模擬實際支撐管系，快速地評估各個改造方案的總體強度情況，通過船級社審核后實施總裝建造，該方法有利于快速地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的改造優(yōu)化，為業(yè)內(nèi)平臺的設(shè)計和改造提供重要的工程參考。結(jié)果表明:

1)采用有限元分析軟件對半潛平臺進行總體屈服屈曲強度分析方法正確，結(jié)果合理，平臺結(jié)構(gòu)總體屈服屈曲強度滿足船級社的要求;

2)空間剛架梁模擬實際管系支撐結(jié)構(gòu)進行各個改造方案的總體強度分析是可行的，符合規(guī)范提出的設(shè)計思路，并且剛架梁的總體壓桿穩(wěn)定性滿足要求;

3)方案中下船體交叉管系結(jié)構(gòu)通過特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計及焊接方式，有效地滿足了管節(jié)點疲勞強度問題，而對此類結(jié)構(gòu)的疲勞強度分析需要進一步研究優(yōu)化。

［1］李 平，李 磊，王媛媛，等.半潛式平臺空間剛架模型強度分析［J］.中國造船，2011，52(增1):179 －181.

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