夏廣印，張工，陳丕智

1.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺(tái)264670 2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東煙臺(tái)264000

半潛式平臺(tái)桅桿的設(shè)計(jì)

夏廣印1，張工2，陳丕智2

1.中集海洋工程研究院有限公司，山東煙臺(tái)264670 2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東煙臺(tái)264000

船舶的桅桿設(shè)計(jì)計(jì)算比較成熟，而在半潛式平臺(tái)上，由于各種原因，不能照搬船舶上的桅桿設(shè)計(jì)方式，需要根據(jù)半潛平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司自行設(shè)計(jì)的半潛式平臺(tái)上的桅桿設(shè)計(jì)過(guò)程，給出了一種半潛式平臺(tái)上桅桿的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了該方法的可操作性及有效性。可以作為其他類似項(xiàng)目上面該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)借鑒。文中的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)便，比較容易為結(jié)構(gòu)工程師掌握。

垂蕩加速度;半潛起重平臺(tái);耐波性;桅桿;強(qiáng)度

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船舶上面的桅桿設(shè)計(jì)計(jì)算主要是根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)》－－舾裝分冊(cè)［1］上的非起重桅的方法來(lái)設(shè)計(jì)，而對(duì)于半潛式平臺(tái)來(lái)說(shuō)，上述方法的應(yīng)用受到了限制，主要是因?yàn)榘霛撌狡脚_(tái)受環(huán)境載荷作用后產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)要比船舶的復(fù)雜得多，需要計(jì)算諸如風(fēng)、浪、流等諸多載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。對(duì)于船舶而言，在風(fēng)、浪、流的作用下，會(huì)有比較大的橫搖、縱搖和升沉運(yùn)動(dòng)，其中的橫搖對(duì)桅桿的強(qiáng)度影響最大，而空間3個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度比較小，通常不預(yù)考慮。而半潛平臺(tái)由于是小水線面，波浪響應(yīng)較小，它還有空間的運(yùn)動(dòng)加速度，并且各個(gè)因素對(duì)桅桿的影響都在同一數(shù)量級(jí)。文中以中集來(lái)福士海洋工程有限公司自行設(shè)計(jì)的半潛平臺(tái)上的桅桿的設(shè)計(jì)為例，介紹一種半潛式平臺(tái)上桅桿的計(jì)算方法。

1　平臺(tái)參數(shù)及設(shè)計(jì)背景介紹

該半潛式平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1　平臺(tái)主要參數(shù)m

所設(shè)計(jì)的桅桿位置在主甲板以上尾部正中位置，距基線38 m，水面18 m，如圖1所示。

圖1　桅桿布置

2　計(jì)算模型

根據(jù)桅桿的布置對(duì)桅桿進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:桅桿分成3個(gè)部分:主體、信號(hào)燈、信號(hào)燈座。重量、重心分別計(jì)算，重量和重心如表2所示。

表2　平臺(tái)主要參數(shù)

將主體支柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為桿單元，將上部平臺(tái)位置的燈簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)。采用符號(hào)表示如下:

P1=6 kg，M1=1 218 Nm;

P2=6 kg，M2=862 Nm;

P3=5 kg，M3=422 Nm;

P4=5 kg，M4=292 Nm;

P5=53 kg，M5=2 610 Nm;

P6=31 kg，M6=342 Nm。

由于該桅桿的位置處于平臺(tái)較高的位置，還需考慮環(huán)境載荷及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)加速度的影響。簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2　簡(jiǎn)化力學(xué)模型

3　環(huán)境載荷及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

3.1總體說(shuō)明

（3）關(guān)閉發(fā)射器：澆鑄結(jié)束將發(fā)射器右上角旋鈕鑰匙由"ON"打至"OFF"，按下左上角急停按鈕松，此時(shí)指示燈顯示紅色，即可終止1-14鍵的功能操作。

該平臺(tái)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)系采用右手直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于平臺(tái)艏部。環(huán)境載荷方向，沿逆時(shí)針方向?yàn)檎?°方向由船艏指向船尾，90°方向由左舷指向右舷［2］，如圖3所示。下面將介紹風(fēng)載荷、流載荷及其作用下的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算，以此作為桅桿設(shè)計(jì)的輸入。

圖3　坐標(biāo)系

3.2平臺(tái)風(fēng)載荷系數(shù)與流載荷

該半潛式起重平臺(tái)工作海域設(shè)計(jì)流速為0.91 m/s。風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷均通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)獲得［3-5］，各方向的風(fēng)載荷系數(shù)和流載荷分別如圖4、5所示。

圖4　風(fēng)載荷系數(shù)

圖5　流載荷

3.3風(fēng)載荷的計(jì)算

風(fēng)載計(jì)算參考ABS Mobile Offshore Drilling Unit.

式中: f為系數(shù)，f=0.611; Vk為風(fēng)速，取Vk=51.5 m/s; Ch為高度系數(shù)，取Ch=1.1; Cs為形狀系數(shù)，取Cs=0.5; P=891 N/m2。

3.4平均波漂力計(jì)算［3］

平均波漂力由水動(dòng)力軟件HARP計(jì)算得到各頻率下二階力載荷RAO后與波浪譜結(jié)合得到。公式為

式中:γ為浪向，ω為圓頻率，Wj(ω，γ )為第j個(gè)模態(tài)下的波漂力RAO［7］，Sξ(ω )為波浪譜密度函數(shù)，該平臺(tái)采用JONSWAP波浪譜［6］。

3.5平臺(tái)及桅桿運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算

在計(jì)算過(guò)程中風(fēng)、浪和流保持同向，風(fēng)載荷、流載荷和波浪載荷三者線性疊加［7-8］。計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6　運(yùn)動(dòng)響應(yīng)曲線

得到的最大加速度如表3所示。

表3　平臺(tái)主要參數(shù)　m·s－2

4　桅桿結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

平臺(tái)橫搖時(shí)，桅桿與鉛垂面之間夾角為θ，從圖6上可以查到θ=7.4°。桅桿各部分對(duì)根部的作用力為f1，f1=mgsin θ;力的作用點(diǎn)到桅桿根部的距離為L(zhǎng)1。

船舶橫搖時(shí)的慣性力為f2，f2=ma，其中a為X 和Y方向的合成加速度，從表3可以得到a=4.278 m/s2;慣性力的作用點(diǎn)到桅桿根部的距離為L(zhǎng)2。

船舶升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，桅桿各部分正交于桅桿的作用力為f3。f3=mavsin θ，從表3可以得到av=2.566 m/s2;作用點(diǎn)到桅桿根部的距離為L(zhǎng)3。

風(fēng)壓力為f4，f4=PA;風(fēng)壓作用點(diǎn)到桅桿根部的距離為L(zhǎng)4。

以上各個(gè)作用力對(duì)根部的彎矩M=f1·L1+ f2·L2+f3·L3+ f4·L4。采用ASTM A106B的普通碳鋼管作為桅桿的主體，屈服強(qiáng)度σs=240 MPa，許用彎曲應(yīng)力取它的70%，則許用應(yīng)力［σ］=168 MPa，許用剪應(yīng)力為許用彎曲應(yīng)力除以1.5，許用剪應(yīng)力［τ］=112 MPa。受力分析模型見圖7。

圖7　受力分析模型(P=f1+ f2+ f3+ f4)

各部分作用力及彎矩見表4。

表4　各部分作用力及彎矩

根據(jù)表4，需要的下部分桅桿的抗彎載面系數(shù)［9］為Z=5 746÷168=34.2 cm3。選用直徑88.9，壁厚7.62的管做為桅桿的主體，抗彎載面系數(shù)為36.5 cm3。小于管子實(shí)際抗彎截面系數(shù)。其剪切面積為19.46 cm2。

從圖7可以看出，最大剪力為1 441.17 N，所需要的受剪面積為1 441.17÷112÷100=0.13 cm2。遠(yuǎn)小于桅桿的實(shí)際載面積。

屈曲強(qiáng)度校核如下，各部分自重及垂各加速度產(chǎn)生的壓力

P=m×(g+ av)=109×(9.81+ 2.566)=131 2 N

根據(jù)規(guī)范［10］驗(yàn)證，桿能承受的壓力為

Wa=(m－nl/r) A

式中:系數(shù)m=12.09;系數(shù)n=0.044 4;桅桿無(wú)支撐長(zhǎng)度l=650 cm;桅桿截面慣性半徑r=2.856 cm;桅桿有效截面積A=19.46 cm2;許用壓力Wa=39.3 kN。

計(jì)算結(jié)果表明，使用上述尺寸的結(jié)構(gòu)，桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

從以上實(shí)例計(jì)算來(lái)看，對(duì)于半潛式平臺(tái)的桅桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，比船形的計(jì)算要復(fù)雜得多，通常需要進(jìn)行有限元的強(qiáng)度校核。通過(guò)與船舶桅桿的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，結(jié)合半潛式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，文中總結(jié)了一套適用于半潛式平臺(tái)桅桿的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)實(shí)際平臺(tái)的驗(yàn)證，完全可以代替有限元分析，大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)該方法容易為結(jié)構(gòu)工程師所掌握，有比較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Design of the mast on the semi-submersible platform

XIA Guangyin1，ZHANG Gong2，CHEN Pizhi2

1.CIMC Offshore Engineering Institute Co.，Ltd.，Yantai 264670，China 2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.，Ltd.，Yantai 264000，China

The design of masts is well developed in the ship design.However，it is impossible to calculate the mast strength in the semi-submersible unit in this way.It needs to be designed by taking the semi-submersible unit＇s motion as an input.A method for mast design is given in this paper.The method is based on the mast design process of a semi-submersible unit，which is designed and built by Yantai CIMC Offshore Co.，Ltd.，The method is proved to be operational and available through a true example.This may be used as a reference for the design of upper structure of other similar projects.

vertical acceleration; semi-submersible crane vessel; seakeeping; mast; strength

TE22

A

1009-671X(2015) 04-030-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201411012

2014-11-18.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-27.

夏廣印(1977-)，男，工程師，碩士.

夏廣印，E-mail: Xia_Guangyin@sina.com.