6 結(jié)構(gòu)工況分析

對于環(huán)境載荷，計算時假定風、浪、流產(chǎn)生的最大載荷同時作用在主船體上［5］，風暴自存工況和鉆井作業(yè)工況時在不同工作水深下環(huán)境載荷參數(shù)見表1和表2。

表1　風暴自存工況時的環(huán)境載荷參數(shù)

表2　鉆井作業(yè)工況時的環(huán)境載荷參數(shù)

對不同波和流的作用方向，分別計算了共五種方向下波浪和海流對平臺的作用（見圖16），從而得到圍井區(qū)結(jié)構(gòu)應力最大的工況。這五種情況和上述六種工況共組成30種工況，再加預壓載的一種工況，共計31種工況（見表3）。

圖16　作用在平臺上的五種波浪方向

表3　有限元分析所要考慮的所有工況

7　有限元分析及結(jié)果

通過采用SESAM軟件GeniE建立自升式鉆井平臺模型，對于圍井區(qū)結(jié)構(gòu)艙壁采用等效截面梁的形式進行模擬［6］。樁腿弦管為自定義的梁單元，從而保證其剛性及截面特性與實際保持一致。

7.1 邊界條件

根據(jù)規(guī)范要求，整個平臺主體的邊界條件依據(jù)規(guī)范取泥線以下3.05 m處進行鉸支，樁腿與圍井區(qū)的連接模擬是樁腿弦管與圍井區(qū)上下導塊和鎖緊結(jié)構(gòu)的三點連接，上下導塊只約束水平位移，鎖緊位置同時約束水平和豎直位移［7］。

7.2 計算載荷

計算載荷應考慮垂直方向和水平方向兩種情況。對于風暴自存及鉆井作業(yè)工況時（即表3中的工況1 — 工況15及工況16 — 工況30），對于垂直方向包括結(jié)構(gòu)自重（包括主船體、升降基礎(chǔ)、樁腿樁靴、懸臂梁、鉆臺等結(jié)構(gòu)）、甲板可變載荷、慣性載荷，以及在建造過程中應考慮增加的額外載荷（本平臺增加450 t）。對于水平方向主要為在五種方向上不同作業(yè)水深時的環(huán)境載荷。

需要注意的是，風暴自存的15種工況與鉆井作業(yè)的15中工況在垂直方向上的計算載荷僅結(jié)構(gòu)自重一樣，其他受力均不一樣，應分別施加計算。此外，同時在水平方向的環(huán)境載荷也不一樣，每種工況也應分別計算。

對于第31種工況（預壓載工況）僅分析垂直方向的載荷即可，不需要考慮水平方向的環(huán)境載荷。

7.3 有限元網(wǎng)格劃分原則

網(wǎng)格劃分單元的尺度不能大于屈曲半波長度的一半，有限元網(wǎng)格密度應達到足以使模擬板、扶強材、縱桁、艙壁、底板、甲板等這些結(jié)構(gòu)所有相關(guān)局部屈曲變形和局部塑性變形［8］?？紤]到圍井區(qū)結(jié)構(gòu)的重要性，橫向與垂向以一個縱骨間距為一個單元，縱向以一個肋骨間距為一個單元，局部重要地方加密網(wǎng)格。以尾部左舷圍井區(qū)為例，其有限元模型如圖17所示。

圖17　圍井區(qū)有限元模型

7.4 計算結(jié)果

根據(jù)CCS規(guī)范及相關(guān)規(guī)定，參與分析的平臺主體框架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應按以下規(guī)定確定其許用應力值［σ］：

式中：σS為材料的屈服強度，N/mm2；S為安全系數(shù)，（靜載工況時取1.43，組合工況時取1.11）。

圍井區(qū)所用鋼材為CCS-AH36或CCS-DH36鋼級，其屈服強度σS= 355 MPa。在組合工況下，安全系數(shù)S取1.11，此時許用應力［σ］= 355 / 1.11 = 319.8 MPa；在靜載工況下，安全系數(shù)S取1.43，此時許用應力［σ］= 355 / 1.43 = 248.3 MPa。

經(jīng)有限元分析計算，31種工況中共有7種工況下的最大應力在圍井區(qū)結(jié)構(gòu)上（見下頁表4），其對應的應力云圖見下頁圖18 — 圖24。經(jīng)過計算校核，結(jié)構(gòu)屈服強度滿足規(guī)范要求。

表4　有限元分析后圍井區(qū)處于最大應力時的工況　MPa　

圖18　尾部左舷圍井區(qū)應力云圖（工況1）

圖19　首部圍井區(qū)應力云圖（工況6）

圖20　尾部右舷圍井區(qū)應力云圖（工況7）

圖21　尾部右舷圍井區(qū)應力云圖（工況8）

圖22　尾部右舷圍井區(qū)應力云圖（工況14）

圖23　尾部左舷圍井區(qū)應力云圖（工況15）

圖24　尾部左舷圍井區(qū)應力云圖（工況31）

8　結(jié)　論

圍井區(qū)結(jié)構(gòu)是整個鉆井平臺結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。本平臺圍井區(qū)選用高強結(jié)構(gòu)鋼材，采用對接肘板和內(nèi)嵌式補板提高圍井區(qū)結(jié)構(gòu)的強度，優(yōu)化焊接節(jié)點，而且節(jié)省材料，減輕船體質(zhì)量，提高圍井區(qū)整體的結(jié)構(gòu)強度。圍井區(qū)結(jié)構(gòu)強度通過有限元計算表明滿足規(guī)范要求，已獲得相關(guān)船級社認可并在實際設計中得到應用。本文為圍井區(qū)的結(jié)構(gòu)設計提供了較好的參考依據(jù)。

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