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        波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)樁腿楔塊的影響

        2015-12-07 05:21:50李永正岳亞霖
        艦船科學(xué)技術(shù) 2015年1期
        關(guān)鍵詞:波流楔塊自升式

        成 建,李永正,岳亞霖

        (江蘇科技大學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江212003)

        0 引 言

        20世紀(jì)以來(lái),隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)于石油、天然氣等自然能源的需求正不斷增長(zhǎng),然而由于過(guò)往對(duì)于陸地資源過(guò)度開(kāi)采,無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速的資源消耗,世界各國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展海洋資源。自升式海洋平臺(tái)作為在海上進(jìn)行鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物,對(duì)于海洋資源的開(kāi)發(fā)起著十分重要的作用。然而自升式海洋平臺(tái)承受波流耦合力等多種載荷的影響,平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效和平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞時(shí)有發(fā)生。為了使得海洋平臺(tái)安全使用壽命獲得延長(zhǎng),對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究需要不斷深入。

        本文以自升式海洋平臺(tái)作為研究對(duì)象,通過(guò)Ansys 有限元軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究。

        1 自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)

        由于受到各種海洋環(huán)境的考驗(yàn),海洋平臺(tái)在工作時(shí)受到風(fēng)、浪、流等外部載荷的影響。諸如海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件面臨不同程度的損耗過(guò)快、壽命低下的缺陷,需要頻繁更換。為了保證海洋平臺(tái)更加合理安全運(yùn)作,對(duì)于目前自升式海洋平臺(tái)的平臺(tái)樁腿楔塊需進(jìn)行改進(jìn)??紤]到波流耦合力對(duì)于海洋平臺(tái)樁腿以及楔塊的影響,通過(guò)研究自升式海洋平臺(tái)受到的各種外載荷對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊的影響,從而能夠?yàn)楹Q笃脚_(tái)楔塊性能得以改善奠定基礎(chǔ)。

        自升式平臺(tái)由上層平臺(tái)結(jié)構(gòu)和下部樁腿結(jié)構(gòu)組成,導(dǎo)管架底端通過(guò)樁基礎(chǔ)固定。上層平臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐框架和甲板,主要提供生產(chǎn)和生活場(chǎng)地,其外形為矩形,為了簡(jiǎn)化模型,尺寸為6 m ×6 m,水面至頂層甲板高度為6 m。本文只建立一個(gè)樁腿,組成空間結(jié)構(gòu)。該海洋平臺(tái)的主尺度為:圓樁結(jié)構(gòu)的半徑為3 m,樁腿高度為75 m;在平臺(tái)與樁腿之間設(shè)置28個(gè)楔塊,用于對(duì)樁腿的固定。

        2 海洋平臺(tái)有限元模型建立

        由于本文主要研究波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)楔塊的影響,因此只建立一根海洋平臺(tái)樁腿及其周圍平臺(tái),但對(duì)于海洋平臺(tái)樁腿周圍楔塊處進(jìn)行相應(yīng)的細(xì)化模型建立。

        2.1 模型建立

        本海洋平臺(tái)模型由自升式海洋平臺(tái)樁腿、海洋平臺(tái)楔塊和楔塊接觸處平臺(tái)組成。其中依據(jù)實(shí)際情形,在固樁區(qū)以此建立28個(gè)海洋平臺(tái)楔塊。采用Ansys 軟件建立海洋平臺(tái)模型,并且根據(jù)重量報(bào)告調(diào)整結(jié)構(gòu)模型重量中心位置。坐標(biāo)系按照X 軸為縱向軸,尾部指向首部為正;Y 軸為橫向軸,中心線指向左舷為正;Z 軸為垂向軸,基面向上為正。海洋平臺(tái)模型如圖1所示。

        圖1 海洋平臺(tái)模型圖Fig.1 Marine platform model

        2.2 邊界條件

        1)固樁架下固樁平臺(tái)(包括上固樁平臺(tái))平面內(nèi)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樁腿局部結(jié)構(gòu)剛度,可近似認(rèn)為固樁平臺(tái)原平面幾何形狀在力的作用下不變,即固樁平臺(tái)對(duì)楔塊支持為剛性支持。

        2)為防止樁腿產(chǎn)生剛體位移,在樁腿與楔塊的連接點(diǎn)給予垂向約束。

        2.3 材料屬性

        本平臺(tái)樁腿及海洋平臺(tái)楔塊都采用船用高強(qiáng)度鋼D32。

        2.4 工況

        本文考慮波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)楔塊影響最大的自存和作業(yè)2 種海洋情況,分別進(jìn)行樁腿楔塊靜力分析。另外針對(duì)這些結(jié)果,考慮平臺(tái)分別服役在浪向分別在0°,60°,90°,120°,180°時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)研究。

        3 強(qiáng)度分析

        3.1 風(fēng)載荷

        在進(jìn)行海洋石油結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的風(fēng)速,應(yīng)取決于長(zhǎng)期的實(shí)測(cè)資料,本質(zhì)上風(fēng)載荷是動(dòng)態(tài)的,但一些結(jié)構(gòu)對(duì)它的反應(yīng)幾乎為靜態(tài)形式。持續(xù)風(fēng)速用于計(jì)算整個(gè)平臺(tái)的風(fēng)載荷,而陣風(fēng)風(fēng)速則用于單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

        由于空氣在一定速度下運(yùn)動(dòng)時(shí),作用在平面和曲面上的理論風(fēng)壓力是空氣的動(dòng)能函數(shù),因此可用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示如下:

        設(shè)承受風(fēng)壓的結(jié)構(gòu)物投影面積為A,則可將總風(fēng)力F 表示為:

        式中:F為風(fēng)載荷,N;K為風(fēng)載荷形狀系數(shù),對(duì)梁及建筑物側(cè)壁取1.5,對(duì)圓柱體側(cè)壁取0.5,對(duì)平臺(tái)總投影面積取1.0;KZ為海上風(fēng)壓高度變化系數(shù),按規(guī)范取1.0;A為受風(fēng)面積,m2;PO為基本風(fēng)壓,Pa??砂聪率接?jì)算:

        式中:α為風(fēng)壓系數(shù),取0.163 N·S2/m4;νt為設(shè)計(jì)風(fēng)速,m/s。

        3.2 海流載荷

        考慮到本平臺(tái)作業(yè)水深,根據(jù)平臺(tái)作業(yè)水深以及計(jì)算的波浪條件及波浪理論的適用范圍,選擇橢圓余弦波計(jì)算平臺(tái)所受的波浪力。平臺(tái)單腿柱所受的波浪力按Morison 公式進(jìn)行計(jì)算,即:

        式中:ρ為海水密度,取ρ=0.1045 N·S2/m4;CD為垂直于構(gòu)件軸線的曳力系數(shù);CM為慣性力系數(shù);D為圓形構(gòu)件直徑,m;u為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的速度分量,m/s,| u|為其絕對(duì)值;u為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的加速度分量,m/s2。

        3.3 波浪力

        波浪力是波動(dòng)的海水作用于物體上的力,一般可以分為阻力、慣性力、撞擊力、壓差力和動(dòng)量反射力5個(gè)主要的力。

        對(duì)于自升式海洋平臺(tái)波浪力的計(jì)算,是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最基本的任務(wù),同時(shí)也是最困難的任務(wù)之一,因此一直以來(lái)都是海洋工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。確定作用于自升式海洋平臺(tái)上的波浪載荷,可以采用設(shè)計(jì)波法與隨機(jī)分析法。

        針對(duì)本文所研究的自升式海洋平臺(tái),流載荷按下式計(jì)算:

        式中:v為計(jì)算流速,m/s;ρ為海水密度,kN·S2/m4;CD為垂直于構(gòu)件軸線的流力曳力系數(shù);A為構(gòu)件在與流向垂直的平面上的投影面積,m2;

        4 主要計(jì)算結(jié)果

        4.1 波流耦合力

        通過(guò)Ansys 有限元軟件建立模型,考慮本自升式平臺(tái)別服役在浪向分別在0°,60°,90°,120°,180°時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng),對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)研究。首先探究波流耦合力與相位角之間的關(guān)系,如圖2所示。

        圖2 波流耦合力-相位角關(guān)系曲線Fig.2 Wave bonding force-phase angle relation curves

        4.2 靜力分析

        通過(guò)建立有限元模型,分析本海洋平臺(tái)在不同工況下的結(jié)構(gòu)相應(yīng),得到楔塊在不同波流耦合力情況下受到的情形。其最大變形如圖3所示。

        圖3 海洋平臺(tái)楔塊與樁腿接觸處Fig.3 Offshore platform wedge contact with leg

        圖4 海洋平臺(tái)楔塊受力云圖Fig.4 Offshore platform wedge stress nephogram

        圖5 海洋平臺(tái)楔塊最大變形處受力云圖Fig.5 Offshore platform wedge maximum deformation stress

        5 結(jié) 語(yǔ)

        考慮到波流耦合力對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響,本文結(jié)合海洋平臺(tái)楔塊實(shí)例分析,通過(guò)研究不同波流耦合力對(duì)于楔塊的研究方法。探究理論研究和數(shù)值分析可以得到以下結(jié)論:

        1)對(duì)于自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu),采用Ansys 軟件對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件建立具體模型研究。通過(guò)分析波流耦合力對(duì)其影響,可以有利于真實(shí)反映海洋平臺(tái)細(xì)微處的疲勞損耗,對(duì)于具體工程有指導(dǎo)性作用。

        2)由結(jié)果可知當(dāng)隨著相位角的改變波流耦合力的大小也隨之改變,開(kāi)始時(shí)隨著相位角增大波流耦合力也隨著增大,但當(dāng)達(dá)到峰值后,隨著相位角繼續(xù)增加,波流耦合力卻不斷減小。

        3)波流耦合力對(duì)海洋平臺(tái)楔塊有著十分重要的影響,由于實(shí)際海洋情況的變化,波流耦合力也不斷變化,對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊不斷造成損耗。楔塊的背部與平臺(tái)相接處的地方受力最大,并且背面變形較大,造成海洋平臺(tái)楔塊壽命低下。

        6 展 望

        對(duì)于自升式海洋平臺(tái)楔塊所受波流耦合力的研究有助于對(duì)其后續(xù)結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。目前海洋平臺(tái)楔塊等小型結(jié)構(gòu)構(gòu)件面臨著損耗過(guò)快、使用壽命低下等問(wèn)題,然而楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)于海洋平臺(tái)的安全性、經(jīng)濟(jì)性起到十分重要的作用。目前對(duì)于海洋平臺(tái)楔塊等結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本采用簡(jiǎn)化方法,并不能很好地反應(yīng)細(xì)微結(jié)構(gòu)處受到的力的影響。我們不僅應(yīng)當(dāng)關(guān)注海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)性能,還要著眼于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的改進(jìn),使得海洋平臺(tái)能夠更好地符合我國(guó)國(guó)情,為發(fā)展海洋事業(yè),為我國(guó)開(kāi)發(fā)與保護(hù)海洋資源做出更好地貢獻(xiàn)。

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