李華祥

(上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

基于一體化集成軟件系統(tǒng)的海洋立柱式平臺總體結(jié)構(gòu)強度分析

李華祥

(上海利策科技股份有限公司，上海 200233)

將海洋立柱式平臺工程設(shè)計的船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核流程工作，集成到一體化集成軟件系統(tǒng)中。借助計算機輔助設(shè)計功能，自動完成海洋平臺工程設(shè)計的所有流程工作?；谠撘惑w化集成軟件系統(tǒng)，對海洋桁架立柱式平臺的總體強度進行分析計算，自動完成桁架型立柱式平臺有限元參數(shù)化建模、水動力載荷結(jié)構(gòu)映射、有限元分析計算、屈服強度規(guī)范校核、屈曲強度計算與規(guī)范校核等流程工作。計算結(jié)果顯示，對于在位工況條件，桁架立柱式平臺結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié)是硬艙與桁架、軟艙與桁架的交接處。

立柱式平臺；一體化集成軟件；總體強度；有限元分析

0 引 言

隨著深海海域油氣開采的深入，多種新型浮式海洋平臺先后涌現(xiàn)，立柱式(Spar)平臺就是其中之一。由于具有良好的垂蕩特性、運動穩(wěn)定性、安全性以及優(yōu)越的經(jīng)濟性等優(yōu)點，自20世紀80年代以來，立柱式平臺被廣泛應(yīng)用于深海油氣開發(fā)，擔(dān)負著鉆探、生產(chǎn)、海上原油處理、石油儲藏和裝卸等各種工作。其中，由于桁架型立柱式(Truss Spar)平臺在設(shè)計重量和性能等方面的優(yōu)越性，已逐漸成為最具競爭力的新型海洋浮式平臺形式之一。目前，該類型平臺的設(shè)計技術(shù)多為國外大公司所壟斷。近幾年，國內(nèi)也逐漸開始對立柱式平臺進行分析研究。其中，強度分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計又是該類型平臺設(shè)計的一個重點，總體強度分析研究可參見文獻[1-4]。

海洋立柱式平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的工程設(shè)計包括船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核三個部分。其中船體設(shè)計工作主要包括平臺的型式、主尺度、結(jié)構(gòu)、系泊、以及立管等設(shè)計。分析計算則是在平臺設(shè)計基礎(chǔ)上，根據(jù)已確定的立柱式平臺設(shè)計參數(shù)，進行水動力、穩(wěn)性、運動性能、結(jié)構(gòu)強度、系泊強度、立管強度等分析與數(shù)值計算。規(guī)范校核則是對上述分析計算的結(jié)果，根據(jù)規(guī)范細則要求，對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行校核，校對平臺設(shè)計的合理性和可靠性，并根據(jù)校核結(jié)果對設(shè)計提出優(yōu)化和改進意見。實際工程設(shè)計中，對于上述三個過程，需要進行螺旋式迭代，直至規(guī)范校核滿足要求，獲得最優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果。按照傳統(tǒng)的工程設(shè)計方法，上述三部分工作較為獨立地進行，所以數(shù)據(jù)的一致性較難保證，同時，還存在設(shè)計周期長、人工時繁重等問題。開發(fā)一套集成的軟件系統(tǒng)，借助計算機輔助設(shè)計功能實現(xiàn)立柱式平臺工程設(shè)計三部分工作的一體化，顯得尤為重要和迫切。

本文基于一體化集成軟件系統(tǒng)，對桁架型立柱式平臺進行結(jié)構(gòu)總體強度分析計算。借助一體化集成軟件系統(tǒng)功能，實現(xiàn)桁架型立柱式平臺有限元參數(shù)化建模、水動力載荷結(jié)構(gòu)映射、有限元分析計算、屈服強度規(guī)范校核、屈曲強度計算與規(guī)范校核等流程工作自動完成。數(shù)值算例進一步顯示一體化集成軟件系統(tǒng)在立柱式平臺總體強度分析計算中的高效性。

1 一體化集成軟件系統(tǒng)

立柱式平臺工程設(shè)計流程工作包括船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核三大模塊。在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，各模塊之間關(guān)聯(lián)度低。這對設(shè)計數(shù)據(jù)的傳輸與管理帶來很多麻煩，數(shù)據(jù)一致性很難保證。同時，三大模塊的分散性對海洋浮式平臺螺旋式優(yōu)化設(shè)計帶來困難。再則，分析計算涉及大量建模工作，如水動力建模、系泊立管分析建模、結(jié)構(gòu)有限元建模等，這些建模如果以人工方式建立，工作量巨大。為此，本文開發(fā)一套集成軟件系統(tǒng)，將立柱式平臺的船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核三大模塊集成到一體化軟件系統(tǒng)中。

1.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

從軟件開發(fā)角度，首先進行軟件系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。該軟件系統(tǒng)總體部署上分為四層，即應(yīng)用展示層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)接口層和應(yīng)用支撐層。其中，應(yīng)用展示層為軟件系統(tǒng)的人機操作界面，業(yè)務(wù)處理層包含了全部專業(yè)子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理邏輯，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)作為專業(yè)子系統(tǒng)的輔助功能模塊，數(shù)據(jù)接口層主要是使各子系統(tǒng)通過中間件進行數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用支撐層是該軟件系統(tǒng)運行所必需的環(huán)境支撐插件和軟件工具，包括數(shù)據(jù)庫管理工具、圖形引擎、商用軟件插件等。

從軟件專業(yè)功能開發(fā)角度，該軟件核心專業(yè)模塊包括船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核，各功能模塊數(shù)據(jù)流，即輸入、輸出數(shù)據(jù)流如圖2所示。數(shù)據(jù)接口的開發(fā)就是基于該數(shù)據(jù)流和各軟件模塊輸入和輸出，進行總體設(shè)計和開發(fā)。

圖1 軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計Fig.1 System architecture design of the software

圖2 功能模塊與數(shù)據(jù)流示意圖Fig.2 Diagram of software function and data flow

1.2 工程設(shè)計的一體化集成

海洋立柱式平臺結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計，包括船體與附屬結(jié)構(gòu)的初步方案設(shè)計、分析計算與規(guī)范校核。其中船體與附屬結(jié)構(gòu)的初步方案設(shè)計(下文簡稱為設(shè)計子系統(tǒng))，包括立柱式平臺船體結(jié)構(gòu)的主尺度設(shè)計計算與主結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、立管結(jié)構(gòu)設(shè)計、系泊結(jié)構(gòu)設(shè)計；分析計算(下文簡稱分析子系統(tǒng))包括浮式平臺的穩(wěn)性分析、水動力分析計算、系泊與立管分析計算、時域分析、結(jié)構(gòu)有限元分析計算等模塊的自動建模與分析計算；規(guī)范校核(下文簡稱校核子系統(tǒng))即根據(jù)船級社規(guī)范對立柱式平臺工程設(shè)計校核要求，提取分析計算結(jié)果，分別對立柱式平臺的穩(wěn)性、運動性能、系泊、立管、結(jié)構(gòu)強度進行規(guī)范校核。如果校核結(jié)果不符合規(guī)范要求，軟件系統(tǒng)可重新啟動船體設(shè)計子系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計，進行新一輪流程工作。

下面將對立柱式平臺工程設(shè)計流程工作所涉及的三大塊子系統(tǒng)，即設(shè)計子系統(tǒng)、分析子系統(tǒng)和校核子系統(tǒng)，進行詳細介紹。

1.2.1設(shè)計子系統(tǒng)

海洋浮式平臺的工程設(shè)計，基于螺旋式設(shè)計原則，即首先根據(jù)設(shè)計條件和海洋環(huán)境參數(shù)，進行系統(tǒng)的初步方案設(shè)計，然后進行多專業(yè)的分析計算和規(guī)范校核，對初步方案設(shè)計進行進一步完善。其中第一步工作，即初步方案設(shè)計，設(shè)計方法多依據(jù)行業(yè)規(guī)范和設(shè)計公司的設(shè)計經(jīng)驗。對于立柱式平臺的初步方案設(shè)計，包括船體結(jié)構(gòu)的主尺度設(shè)計、船體結(jié)構(gòu)的主結(jié)構(gòu)設(shè)計、立管結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及系泊結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(1) 船體結(jié)構(gòu)的主尺度設(shè)計，即結(jié)構(gòu)的Sizing設(shè)計。該功能模塊在油田設(shè)計條件和海洋環(huán)境條件基礎(chǔ)上，根據(jù)行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計立柱式平臺的吃水、硬艙的外徑、高度、垂直與水平方向的分艙、垂直方向各分層高度、豎井長度與寬度、垂蕩板個數(shù)與位置高度、垂蕩板長度與寬度、桁架高度與分層數(shù)、桁架外徑、軟艙長寬高、軟艙分艙、浮托艙長寬高等參數(shù)。設(shè)計模塊會根據(jù)初步設(shè)計的結(jié)構(gòu)主尺度，估算出平臺的重量和重心，確保平臺重量與上部組塊重量、平臺所受海水浮力、系泊與立管的濕重等平衡。一個關(guān)鍵的控制因素就是，平臺系統(tǒng)的整體穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

(2) 船體結(jié)構(gòu)的主結(jié)構(gòu)設(shè)計，即結(jié)構(gòu)的Scantling設(shè)計。該功能模塊在主尺度設(shè)計基礎(chǔ)上，根據(jù)行業(yè)規(guī)范，對主結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。該軟件系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)美國船級社(ABS) MODU 規(guī)范細則進行開發(fā)。Scantling結(jié)構(gòu)設(shè)計包括立柱式平臺的硬艙、軟艙、浮托艙的所有板的板厚、各板的加強筋間距、加強筋型材的設(shè)計與選型、以及桁架的壁厚。

(3) 立管結(jié)構(gòu)設(shè)計，即對頂張緊立管(TTR)與鋼懸鏈線立管(SCR)進行選型設(shè)計。該功能模塊在油田設(shè)計與開采條件及海洋環(huán)境條件基礎(chǔ)上，對立管的數(shù)量與位置、分段與選材、外徑與壁厚、SCR上下端懸掛角、TTR端部連接方式等進行設(shè)計。

(4) 系泊結(jié)構(gòu)設(shè)計，即對Mooring結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。該功能模塊根據(jù)平臺主體結(jié)構(gòu)設(shè)計和海洋環(huán)境基礎(chǔ)上，對系泊管線的數(shù)量與位置、上下端懸掛角、分段與選材、觸地點位置以及躺地段長度等參數(shù)進行設(shè)計。

上述初步方案設(shè)計內(nèi)容，就構(gòu)成了設(shè)計子系統(tǒng)的主體。該子系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果，將自動輸出傳送到分析子系統(tǒng)。設(shè)計子系統(tǒng)的架構(gòu)與技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 設(shè)計子系統(tǒng)技術(shù)路線示意圖Fig.3 Technology roadmap diagram of the design sub-system

1.2.2分析子系統(tǒng)

根據(jù)海洋規(guī)范要求，當(dāng)完成立柱式平臺初步方案設(shè)計后，需要對初步設(shè)計方案進行多專業(yè)分析與計算，包括水動力載荷計算、船體運動性能計算、平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)性計算、系泊/立管/船體耦合時域計算、船體主結(jié)構(gòu)的有限元強度計算等。

對于上述各專業(yè)分析與計算，目前海洋工程行業(yè)多借助數(shù)值計算方法，可以獲得比較精確的計算結(jié)果?？紤]行業(yè)設(shè)計主流方向，該一體化集成軟件系統(tǒng)將調(diào)用行業(yè)權(quán)威數(shù)值計算軟件進行各專業(yè)計算，如穩(wěn)性計算調(diào)用MOSES軟件，水動力分析計算調(diào)用Wamit和AQWA軟件，系泊和立管分析計算調(diào)用OrcaFlex軟件，結(jié)構(gòu)強度計算調(diào)用ANSYS軟件。為此，集成軟件系統(tǒng)針對這些商用軟件的接口進行二次開發(fā)，實現(xiàn)基于這些商用計算軟件的立柱式平臺自動建模、調(diào)用計算、計算結(jié)果讀取等功能。

(1) 水動力分析計算，即基于Wamit與AQWA商用軟件的自動建模與調(diào)用計算，同時對計算結(jié)果進行讀取和后處理。該功能模塊借助行業(yè)成熟權(quán)威的數(shù)值軟件Wamit與AQWA，實現(xiàn)浮式平臺的水動力載荷計算，為后續(xù)結(jié)構(gòu)計算提供水動力載荷數(shù)據(jù)。

(2) 穩(wěn)性分析計算，即基于MOSES商用軟件的自動建模與調(diào)用計算，并對計算結(jié)果進行讀取和后處理，以圖文并茂的方式展示MOSES的計算結(jié)果。該功能模塊借助行業(yè)成熟權(quán)威的數(shù)值計算軟件MOSES，實現(xiàn)浮式平臺的完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性分析計算，為浮式平臺設(shè)計提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3) 船體運動性能分析計算。該功能模塊為自主開發(fā)，根據(jù)平臺的初步方案設(shè)計、海洋環(huán)境條件、系泊設(shè)計參數(shù)，對平臺進行快速時域計算，計算平臺6個方向的運動位移。

(4) 系泊/立管/船體耦合時域計算，即基于OrcaFlex商用軟件的自動建模與調(diào)用計算，并對計算結(jié)果進行讀取和后處理。該功能模塊借助行業(yè)成熟權(quán)威的數(shù)值計算軟件OrcaFlex，對管線結(jié)構(gòu)進行時域計算。由于系泊與立管的運動與強度計算依賴于船體運動，所以該模塊計算必須是系泊立管與船體結(jié)構(gòu)的耦合計算。

(5) 船體結(jié)構(gòu)的有限元強度計算，即基于ANSYS商用軟件的自動建模與調(diào)用計算，自動提取計算結(jié)果并進行后處理。該功能模塊借助行業(yè)成熟權(quán)威的結(jié)構(gòu)強度數(shù)值計算軟件ANSYS，對于浮式平臺主結(jié)構(gòu)(即通常所說的船體結(jié)構(gòu))進行結(jié)構(gòu)強度的有限元數(shù)值計算。該結(jié)構(gòu)強度計算包括屈服強度、屈曲強度、疲勞強度的計算。

需要強調(diào)的是，上述各專業(yè)計算，常規(guī)方法是通過人工方式，在軟件界面一步步建模，建模工作量浩繁巨大，占用大量的人工時。而開發(fā)的集成設(shè)計系統(tǒng)基于上述商用軟件的接口，實現(xiàn)了各商用軟件的自動建模功能，不僅極大地方便用戶輕松實現(xiàn)分析計算的建模等工作，同時將大大節(jié)省設(shè)計的人工時。這對設(shè)計工作尤為重要，也是設(shè)計公司追求的核心競爭力之一。

分析子系統(tǒng)的架構(gòu)與技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 分析子系統(tǒng)技術(shù)路線示意圖Fig.4 Technology roadmap diagram of the analysis sub-system

1.2.3校核子系統(tǒng)

當(dāng)完成上述各專業(yè)分析計算后，集成軟件系統(tǒng)將自動讀取各專業(yè)計算的數(shù)據(jù)結(jié)果，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范細則對關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行校核。對不滿足規(guī)范要求的設(shè)計參數(shù)，進一步完善與修改設(shè)計子系統(tǒng)的初步方案設(shè)計結(jié)果，然后進行新一輪的分析計算與規(guī)范校核，直至所有關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)滿足規(guī)范要求。

校核子系統(tǒng)所校核的關(guān)鍵參數(shù)包括：(1)平臺固有周期校核，即平臺的固有周期必須避開海洋波浪典型周期范圍。(2)平臺運動位移校核，即平臺在最惡劣的海洋環(huán)境條件下的最大運動位移必須小于設(shè)計要求，尤其是垂蕩與水平最大位移，必須滿足規(guī)范要求。(3)穩(wěn)性校核，即平臺的完整穩(wěn)性與破艙穩(wěn)性分析計算結(jié)果，必須滿足規(guī)范要求。(4)系泊校核，即系泊結(jié)構(gòu)強度、最大拉力、躺地段長度等計算結(jié)果，必須滿足規(guī)范要求。(5)立管校核，即立管的強度、最大拉力、壓潰、屈曲等計算結(jié)果，必須滿足規(guī)范要求。(6)結(jié)構(gòu)強度校核，即船體主結(jié)構(gòu)的屈服、屈曲、疲勞強度計算結(jié)果，必須滿足規(guī)范要求。

校核子系統(tǒng)的架構(gòu)與技術(shù)路線如圖5所示。

需要強調(diào)的是，一體化集成系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了立柱式平臺工程設(shè)計的流程工作，即初步方案設(shè)計、分析計算和規(guī)范校核，內(nèi)在的無縫耦合，真正實現(xiàn)工程設(shè)計的系統(tǒng)集成性。這不僅有助于提高設(shè)計效率，同時為大量設(shè)計數(shù)據(jù)的完整性和一致性提供了保證。

1.3 集成系統(tǒng)與創(chuàng)新性

根據(jù)上述軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和專業(yè)模塊開發(fā)理念，最終開發(fā)出立柱式平臺工程設(shè)計系統(tǒng)軟件。該軟件系統(tǒng)重在平臺結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計，其專業(yè)設(shè)計深度為FEED前段工程設(shè)計程度。系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

圖5 校核子系統(tǒng)技術(shù)路線示意圖Fig.5 Technology roadmap diagram of the verification sub-system

圖6 系統(tǒng)軟件主界面Fig.6 Main interface of the system software

該軟件的創(chuàng)新點如下。

(1) 計算機輔助設(shè)計功能，即軟件根據(jù)用戶基本輸入條件，輔助用戶自動完成設(shè)計功能。只要用戶輸入基本設(shè)計條件，如海況條件、油氣開采要求、平臺建造安裝等條件，軟件系統(tǒng)就能完成浮式平臺工程設(shè)計流程的全部工作，從設(shè)計方案自動優(yōu)選到分析階段自動生成平臺的結(jié)構(gòu)模型、穩(wěn)性模型、水動力模型、系泊與立管的時域分析模型等，并根據(jù)設(shè)計工況調(diào)用各專業(yè)軟件進行后臺計算。系統(tǒng)能實現(xiàn)設(shè)計成果各專業(yè)間數(shù)據(jù)的一致性傳遞與自動轉(zhuǎn)換，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理與規(guī)范校核。因此，該系統(tǒng)能大幅提高設(shè)計、分析、校核的工作效率與準確性，并可避免因手工處理參數(shù)轉(zhuǎn)換和傳遞導(dǎo)致的人為錯誤。將計算機輔助設(shè)計引入海洋工程設(shè)計，不僅能解決設(shè)計數(shù)據(jù)的管理問題、加速設(shè)計流程工作，同時可固化積累海洋工程設(shè)計技術(shù)和經(jīng)驗，進而穩(wěn)步優(yōu)化發(fā)展。解決目前海洋工程行業(yè)設(shè)計經(jīng)驗的閉鎖現(xiàn)狀，是未來海洋工程發(fā)展的一個方向。實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)的軟件化與計算機輔助設(shè)計功能，將為邁向智能設(shè)計與智能制造奠定堅實的基礎(chǔ)。

(2) 一體化集成設(shè)計功能，即將浮式平臺工程設(shè)計過程所涉及的船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核集成在一個系統(tǒng)軟件中，實現(xiàn)各模塊之間數(shù)據(jù)的無縫整合，保證龐大繁雜的設(shè)計數(shù)據(jù)的完整性與一致性，并加速設(shè)計進程。工程設(shè)計的集成特性與技術(shù)，目前在海洋工程中尚處于探索階段，也是未來幾年海洋工程行業(yè)設(shè)計工具的重點發(fā)展方向。

(3) 數(shù)據(jù)庫管理功能，即該軟件系統(tǒng)集成了成熟的海洋工程設(shè)計數(shù)據(jù)和典型平臺資料，不僅為設(shè)計提供可靠的工程基礎(chǔ)，同時存儲已經(jīng)收集到的寶貴工程數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)，作為軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供給用戶直接使用和參考。該創(chuàng)新有效地解決了傳統(tǒng)海洋工程設(shè)計對行業(yè)數(shù)據(jù)的分散管理模式的不足，有望在未來幾年成為海洋工程行業(yè)數(shù)據(jù)管理的主流模式。

(4) 開放式軟件接口功能。該軟件系統(tǒng)采用通用數(shù)據(jù)接口，無縫連接海洋工程行業(yè)主流的設(shè)計與分析計算工具，可作為海洋工程領(lǐng)域通用設(shè)計平臺使用。所調(diào)用的軟件都是圍繞各自的數(shù)據(jù)格式進行設(shè)計的，不同軟件之間無法兼容互通。而本軟件平臺通過靈活的接口設(shè)置，建立了統(tǒng)一的外部軟件接口，可以方便地將其他分析軟件直接嵌入到本軟件平臺中使用。該創(chuàng)新點將開啟海洋工程軟件架構(gòu)新模式，即改變傳統(tǒng)單一軟件工作原理，以統(tǒng)一的軟件平臺管理整個設(shè)計流程的各個專業(yè)軟件，進而高效地完成工程設(shè)計所有流程工作。開放式商業(yè)軟件接口模式，也必將有利于行業(yè)軟件聯(lián)盟的形成，對推動行業(yè)軟件的發(fā)展起到推動作用。

2 有限元強度分析

對于海洋立柱式平臺結(jié)構(gòu)強度分析，目前行業(yè)內(nèi)普遍基于有限元方法進行數(shù)值計算，可以獲得較為精確的全結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與局部應(yīng)力數(shù)值結(jié)果，從而為海洋平臺設(shè)計提供可靠的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本集成軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析計算調(diào)用的是商用ANSYS軟件，采用APDL語言，實現(xiàn)立柱式平臺有限元自動建模與計算。

2.1 有限元建模

為了提高結(jié)構(gòu)建模的效率，充分利用參數(shù)化建模的特點，將桁架型立柱式平臺結(jié)構(gòu)進行拆分歸類，具有相似特征的結(jié)構(gòu)組合成各類子結(jié)構(gòu)，其中板材為一級子結(jié)構(gòu)，附著在一級子結(jié)構(gòu)上的扶強材和桁材為二級子結(jié)構(gòu)，最后通過計算機的循環(huán)處理實現(xiàn)同類結(jié)構(gòu)的批量建模。例如，硬艙結(jié)構(gòu)分為四類一級子結(jié)構(gòu)，分別為分層甲板(Deck)、外殼板(Side shell)、艙壁板(BHD)和中心井(Access shaft)，如圖7～10所示。對于每類一級子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有變化，只是尺寸稍有差異。各子結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)包括板材厚度、長度、寬度等，均采用數(shù)組的形式存儲，所以只需輸入不同的參數(shù)便可得到不同的結(jié)構(gòu)。一級子結(jié)構(gòu)建模完成后，調(diào)用二級子結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)組，在一級子結(jié)構(gòu)上建立對應(yīng)的扶強材和桁材模型。軟艙與中段桁架也采用類似的方式建模，再通過耦合處理完成模型的整合。

圖7 硬艙分層甲板Fig.7 Layered deck of hard tanks

圖8 硬艙外殼板Fig.8 External shell plate of hard tanks

圖9 硬艙艙壁板Fig.9 Bulkhead plate of hard tanks

圖10 硬艙中心井Fig.10 Central shaft of hard tanks

結(jié)構(gòu)與有限元建模的流程包括參數(shù)讀入、整體幾何模型、加強筋生成、單元劃分和模型處理。其中，整體幾何模型模塊的功能是根據(jù)輸入的參數(shù)生成一級子結(jié)構(gòu)；加強筋生成模塊的任務(wù)是根據(jù)參數(shù)在一級子結(jié)構(gòu)上生成二級子結(jié)構(gòu)；單元劃分模塊通過參數(shù)控制將平臺劃分成高質(zhì)量的四邊形單元；模型處理模塊的功能是對模型進行對稱、復(fù)制以及合并等操作。

2.2 水動力模型

參數(shù)化建模模塊的目標是得到桁架型立柱式平臺的結(jié)構(gòu)與有限元模型(見圖11)，同時基于有限元模型和平臺設(shè)計參數(shù)(如吃水、重量、中心位置、水動力等參數(shù))，自動產(chǎn)生平臺的水動力模型。本文水動力模型如圖12所示，不包括中段桁架結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷通過Morison公式計算得到，然后直接加載到有限元模型上。

圖11 有限元模型示意圖Fig.11 Diagram of finite element model

圖12 水動力模型示意圖Fig.12 Diagram of hydrodynamic model

2.3 有限元加載與求解

立柱式平臺所受載荷可以分為兩類：靜態(tài)載荷與環(huán)境載荷。其中，靜態(tài)載荷包括平臺重量、壓載重量、作業(yè)載荷和浮力；環(huán)境載荷包括風(fēng)載荷、流載荷以及波浪載荷。其中波浪載荷具有隨機性和復(fù)雜動力性，因此選擇合理的可行方法計算波浪載荷對平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。本文采用設(shè)計波法來篩選波浪載荷。所謂設(shè)計波法是指依據(jù)波浪載荷等效的原則按照規(guī)則波浪理論構(gòu)造的規(guī)則波列，通過對波高、周期、波浪入射角以及波浪相位角的組合搜索使結(jié)構(gòu)物處于最不利狀態(tài)且達到一定回復(fù)期的最大載荷，從而得到相應(yīng)的設(shè)計波參數(shù)。由于現(xiàn)有規(guī)范對立柱式平臺的控制工況并沒有明確的界定，參考挪威船級社(DNV)和ABS等規(guī)范對其他浮式平臺的要求，選擇的控制工況作為立柱式平臺的波浪特征載荷工況為垂蕩加速度、縱蕩加速度、縱搖加速度，具體設(shè)計波的選擇流程和計算方法可參考DNV-RP-C103[5]。

根據(jù)以上方法確定的設(shè)計波參數(shù)，使用AQWA軟件讀入水動力模型，利用AQWA-LINE根據(jù)勢流理論計算出水動力模型的波浪力數(shù)據(jù)，最后通過AQWA-WAVE生成針對有限元模型的波浪載荷數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)符合ANSYS APDL語言的格式要求。所以在ANSYS軟件平臺上直接讀入上述波浪載荷數(shù)據(jù)，即可完成水動力載荷到有限元模型的波浪力映射，如圖13所示。

圖13 波浪載荷結(jié)構(gòu)映射示意圖Fig.13 Diagram of the structural mapping of wave loads

本文對風(fēng)速和流速采用百年一遇的海況條件進行加載，風(fēng)載荷與流載荷根據(jù)ABS規(guī)范[6]推薦的公式計算。由于未建上部組塊的模型，風(fēng)載荷等效為均布力與彎矩施加在硬艙頂部，流載荷則以壓力形式加載在對應(yīng)位置。

3 結(jié)構(gòu)強度規(guī)范校核

在ANSYS軟件平臺上對立柱式平臺進行了有限元計算，得到不同工況下平臺的應(yīng)力響應(yīng)。強度校核與優(yōu)化設(shè)計模塊的功能是根據(jù)規(guī)范要求對平臺結(jié)構(gòu)進行屈服和屈曲強度進行校核，再根據(jù)校核結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 屈服強度校核

根據(jù)ABS規(guī)范[6]強度準則的規(guī)定，板狀結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力應(yīng)滿足

σeq≤Fy/fs,

(1)

式中：Fy是材料的屈服強度；fs是安全系數(shù)，靜載和組合載荷工況下分別為1.43和1.11。

3.2 屈曲強度校核

根據(jù)桁架型立柱式平臺的結(jié)構(gòu)特征，將平臺主要結(jié)構(gòu)分成兩種：桿件和加筋板。其中桿件為中段桁架，其他均為加筋板。校核模塊根據(jù)ABS規(guī)范中的屈曲細則，在有限元計算結(jié)果基礎(chǔ)上進行屈曲計算，屈曲校核結(jié)果以屈曲UC云圖形式輸出，清晰直觀地顯示出平臺結(jié)構(gòu)中相對薄弱的位置。

(1)根據(jù)ABS規(guī)范[6]，承受軸向拉伸和彎曲的圓形桿件應(yīng)滿足 ,其中

(2)

式中：σt為軸向拉伸應(yīng)力；σby為繞y方向彎矩引起的彎曲應(yīng)力；σbz為z方向彎矩引起的彎曲應(yīng)力；σCBy為y方向彎曲應(yīng)力強度；σCBz為z方向彎曲應(yīng)力強度；η2是拉伸與彎曲許用因子。

(2) 承受軸向壓縮和彎曲的圓形桿件應(yīng)滿足UC≤1，其中

(3)

式中：σa為軸向壓應(yīng)力；σby為繞y方向彎矩引起的彎曲應(yīng)力；σbz為z方向彎矩引起的彎曲應(yīng)力；σCA為軸向壓縮強度；σCBy為y方向彎曲應(yīng)力強度；σCBz為z方向彎曲應(yīng)力強度；η1為壓縮許用因子；η2為拉伸和彎曲許用因子。

(3) 對于可能發(fā)生柱屈曲的加筋板，應(yīng)滿足UC≤1，其中

(4)

式中：σa為名義壓應(yīng)力；σCA為極限屈曲應(yīng)力；A為截面總面積；Ae為截面有效面積；Cm為彎矩調(diào)節(jié)系數(shù)；σE(C)為歐拉屈曲應(yīng)力；σb為彎曲應(yīng)力；η為許用因子。

(4) 對于可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲的加筋板，應(yīng)滿足UC≤1，其中

(5)

式中：σa為名義壓應(yīng)力；σCT為極限扭轉(zhuǎn)屈曲應(yīng)力；η為許用因子。

(5) 對于可能發(fā)生整體屈曲的加筋板，應(yīng)滿足UC≤1，其中

(6)

式中：σx為縱向平均壓應(yīng)力；σy為橫向平均壓應(yīng)力；σGx為縱向極限屈曲應(yīng)力；σGy為橫向極限屈曲應(yīng)力；η為許用因子。

4 算 例

基于該集成軟件系統(tǒng)，對某項目桁架型立柱式平臺進行分析計算。針對該項目平臺作用海域條件和設(shè)計條件，在集成軟件系統(tǒng)中，首先運行設(shè)計子系統(tǒng)獲得該平臺的主尺度參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

有限元模型采用了shell181、beam188、pipe288以及mass21單元類型。彈性殼單元shell181用來模擬硬艙外壁板、中央井壁板、隔艙壁板(BHD)、硬艙分層板、垂蕩板、軟艙外壁板以及軟艙隔艙壁板等厚寬比較小的構(gòu)件。梁單元beam188用來模擬附著在殼單元上的桁材和扶強材。管單元pipe288用來模擬中段桁架。質(zhì)量單元mass21用來模擬壓載物，這些單元在結(jié)構(gòu)有加速度的作用下，會產(chǎn)生慣性力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。

表1 平臺主尺度參數(shù)

平臺吃水深度為176 m，選取百年一遇的海況為環(huán)境載荷。對于計算工況，根據(jù)規(guī)范選取靜載工況和組合工況。靜載工況下，平臺受到的靜態(tài)載荷包括結(jié)構(gòu)自重、上部組塊重量、浮力、系泊預(yù)張力、立管荷載以及壓艙力，如表2所示。組合工況下，平臺所承受的載荷包括靜態(tài)載荷與環(huán)境載荷。設(shè)計波參數(shù)通過隨機性設(shè)計波法篩選得到，計算發(fā)現(xiàn)由垂蕩加速度引起的波浪載荷對結(jié)構(gòu)影響最大，該工況確定的設(shè)計波波高為15.8 m，波浪周期為24 s，相位角-180°，浪向角為0°。10 min內(nèi)平均最大風(fēng)速為33.2 m/s，流速分布如表3所示。

在有限元計算的基礎(chǔ)上，首先進行結(jié)構(gòu)屈服強度計算校核，結(jié)果如表4所示。再根據(jù)上文屈曲計算公式，對目標平臺進行屈曲強度計算和校核，結(jié)果如表5和表6所示。對于靜載和動載工況下，發(fā)生最大屈服的結(jié)構(gòu)位于硬艙、靠近硬艙與桁架交接處，如圖14和圖15所示。最大屈曲的結(jié)構(gòu)位于艙壁板和硬艙分層板，同樣靠近硬艙與桁架交接處，如圖16和圖17所示。這些信息為結(jié)構(gòu)局部加強和優(yōu)化設(shè)計提供了直接參考資料。

表2 靜態(tài)載荷數(shù)據(jù)

表3 百年一遇的流速

表4 屈服UC值

表5 靜載工況各組件屈曲UC值

表6 組合工況各組件屈曲UC值

圖14 靜載荷下硬艙等效應(yīng)力Fig.14 Equivalent stress distribution in hard tanks under static loads

圖15 組合載荷下硬艙等效應(yīng)力Fig.15 Equivalent stress distribution in hard tanks under dynamic loads

圖16 靜載荷下硬艙分層板整體屈曲UC值Fig.16 Global buckling UC in the hard tank plates under static loads

圖17 組合載荷下硬艙艙壁板扭轉(zhuǎn)屈曲UC值Fig.17 Torsion buckling UC in the hard tank bulkheads under dynamic loads

5 結(jié) 語

本文基于一體化集成軟件系統(tǒng)，對桁架型立柱式平臺進行總體強度分析，應(yīng)用案例測試計算進一步顯示該集成軟件系統(tǒng)的先進性和高效性。

一體化集成軟件系統(tǒng)，將海洋立柱式平臺工程設(shè)計流程工作，即船體設(shè)計、分析計算、規(guī)范校核集成于一體，有效地實現(xiàn)繁雜的設(shè)計數(shù)據(jù)一致性管理，打通從設(shè)計到分析計算與規(guī)范校核的壁壘，極大地加速了浮式平臺的工程設(shè)計進程。

基于一體化集成軟件系統(tǒng)，將立柱式平臺的有限元建模、水動力載荷計算、水動力結(jié)構(gòu)映射、有限元強度計算、結(jié)構(gòu)強度規(guī)范校核等系列浩繁工作，簡化為一鍵操作式完成。充分運用計算機輔助設(shè)計功能，極大地簡化人工操作和降低設(shè)計成本。這正是工程設(shè)計公司努力追求的核心競爭力之一。

數(shù)值算例顯示，對于在位工況，桁架型立柱式平臺應(yīng)力集中主要在硬艙與桁架、軟艙與桁架的交接處，這也為結(jié)構(gòu)局部加強與優(yōu)化設(shè)計提供直接的參考數(shù)據(jù)。

[1] 許靖，王德禹. Spar平臺硬艙結(jié)構(gòu)彎曲極限強度有限元分析 [J]. 海洋工程，2010，28(3): 76.

[2] 楊肖龍，穆頃，安振武. Truss Spar平臺結(jié)構(gòu)強度分析及優(yōu)化設(shè)計[J]. 創(chuàng)新技術(shù)，2013(5): 35.

[3] 陳鵬耀，唐文勇，薛鴻祥，等. Truss Spar平臺結(jié)構(gòu)強度與疲勞分析的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國海洋平臺，2006, 21(6): 18.

[4] 楊川，喬東生，歐進萍. Truss Spar平臺總體結(jié)構(gòu)強度分析[J]. 船舶工程，2012, 34(1): 69.

[5] Det Norske Veritas. DNV-RP-C103. Column stabilised units [S]. 2001.

[6] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units. Part 3. Hull construction and equipment [S]. 2012.

[7] American Bureau of Shipping. Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structures [S]. 2004.

GlobalStrengthAnalysisofOffshoreSparPlatformsBasedonaUnified-IntegratedSoftwareSystem

LI Hua-xiang

(ShanghaiRichtechEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200233,China)

This paper aims at the development of a unified-integrated software system for the engineering design of offshore spar platforms, which can implement the chain-work, i.e., hull design, analysis, and code verification. By means of computer aided engineering (CAE), the chain-work of the engineering design of offshore platforms can be automatically carried out. Then, based on the integrated software system, the global strength of a truss spar platform is analyzed. The analysis involves parametric finite element modeling, mapping of hydrodynamic loads to structural models, finite element analysis, yielding strength verification, and buckling calculation and verification. The results indicate that the most dangerous part of a truss spar platform under the condition of operation load cases comes from the intersections of hard tank-truss and soft tank-truss.

spar platform; unified-integrated software; global strength; finite element analysis

2016-09-30

上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人項目“深海柱式平臺基本設(shè)計軟件系統(tǒng)開發(fā)”(15XD1522200)

李華祥(1971—)，男，博士，主要從事海洋浮式平臺設(shè)計與高性能計算研究?！逗Ｑ蠊こ萄b備與技術(shù)》編委。

U661.43

A

2095-7297(2016)05-0269-12