曹義軍， 王樹(shù)青??， 宋憲倉(cāng)， 傅 強(qiáng),2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100; 2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

?

一種非對(duì)稱無(wú)橫撐半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度評(píng)估?

曹義軍1， 王樹(shù)青1??， 宋憲倉(cāng)1， 傅 強(qiáng)1,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100; 2.煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

本文基于設(shè)計(jì)波法對(duì)某新型半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度進(jìn)行了研究分析。不同于傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，該新型半潛式平臺(tái)的浮筒一大一小，對(duì)應(yīng)的兩組立柱也是一大一小，因此結(jié)構(gòu)關(guān)于中縱剖面是非對(duì)稱的；此外該半潛式平臺(tái)沒(méi)有橫撐結(jié)構(gòu)。本文首先確定了作業(yè)吃水和自存吃水情況下新型半潛式平臺(tái)四種典型危險(xiǎn)工況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波參數(shù)，然后研究分析了不同危險(xiǎn)工況下半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度，并對(duì)新型半潛式平臺(tái)與傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)在整體強(qiáng)度方面的差異進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，該新型平臺(tái)的最大應(yīng)力最易出現(xiàn)在大立柱內(nèi)側(cè)與甲板連接拐角區(qū)域，而傳統(tǒng)有橫撐半潛式平臺(tái)的最大應(yīng)力多發(fā)生在橫撐與立柱連接區(qū)域。此外，浮筒與甲板之間的大倒角設(shè)計(jì)有助于提高新型半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度。

新型半潛式平臺(tái)；非對(duì)稱浮筒；整體強(qiáng)度；設(shè)計(jì)波法

目前，半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、Spar和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)(FPSO)四大平臺(tái)是深海油氣開(kāi)發(fā)的主要工具。其中，半潛式平臺(tái)由于其超大的甲板空間、良好的運(yùn)動(dòng)性能和定位能力、以及足夠大的可變載荷，逐漸成為海洋油氣田勘探開(kāi)發(fā)的主流工具。但是半潛式平臺(tái)具有較大的橫向和縱向跨度，從而使得其總體強(qiáng)度的研究顯得非常重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)半潛式平臺(tái)的強(qiáng)度分析已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。Aubault[1]等人對(duì)具有垂蕩板的三立柱小型半潛式平臺(tái)進(jìn)行了強(qiáng)度分析，發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力發(fā)生在橫撐與立柱的連接處。王世圣[2]、張海彬[3]等用設(shè)計(jì)波法對(duì)具有雙浮筒、四立柱帶橫撐的傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)進(jìn)行整體強(qiáng)度評(píng)估。結(jié)果表明傳統(tǒng)對(duì)稱有橫撐半潛式平臺(tái)高應(yīng)力區(qū)域主要在：橫撐與立柱連接區(qū)域、立柱與上甲板及浮筒連接區(qū)域。Lee[4]等用設(shè)計(jì)波法分析了雙浮筒四立柱以及翼型橫撐的傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)域主要集中在三處：立柱與浮筒連接處，立柱與翼型橫撐連接處和立柱與甲板連接處。郭勤靜[5]等分析了一傳統(tǒng)的對(duì)稱浮筒有橫撐半潛式平臺(tái)的總體強(qiáng)度，為了提高平臺(tái)的強(qiáng)度，提出了添加輔助立柱和撐桿的改進(jìn)方案。謝文會(huì)[6]等人提出了典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析方法,并利用這種方法分析了某半潛式平臺(tái)立柱與撐桿連接區(qū)域節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度性能。嵇春艷[7]等人根據(jù)ANSYS/AQWA分析軟件，提出了一套研究半潛式平臺(tái)整體強(qiáng)度的方法。

本文研究的對(duì)象是全球首例采用了無(wú)橫撐非對(duì)稱主船體結(jié)構(gòu)的某新型半潛式平臺(tái)(見(jiàn)圖1)。該平臺(tái)在結(jié)構(gòu)形式上有很大的創(chuàng)新，并且結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新使得平臺(tái)在作業(yè)效率上有著顯著的提升。新型平臺(tái)的2個(gè)浮筒一大一小，2個(gè)吊機(jī)同時(shí)安裝在大浮筒一側(cè)，雙機(jī)聯(lián)合起吊時(shí)能更加靈活的調(diào)整起重平臺(tái)與被安裝平臺(tái)的間距，提高作業(yè)效率；無(wú)橫撐非對(duì)稱主船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)降低拖航阻力和動(dòng)力定位載荷，大大提高了作業(yè)效率；平臺(tái)下船體配備了氣動(dòng)排壓載水系統(tǒng)，可更加快速的調(diào)整平臺(tái)，縮減起重作業(yè)時(shí)平臺(tái)調(diào)整時(shí)間。同全球其他同類平臺(tái)相比，該平臺(tái)的起重能力位居前列，獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得該平臺(tái)具有較高的靈活性，能滿足大多數(shù)海上起重要求；同時(shí)該平臺(tái)適用于具有惡劣海況的西非、巴西、墨西哥灣及英國(guó)北海等海域，能夠在最大22 m波高的海況下工作。

圖1 新型半潛式平臺(tái)的幾何模型和實(shí)體圖

然而，該非對(duì)稱無(wú)橫撐平臺(tái)在擁有超高作業(yè)效率的同時(shí)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式，無(wú)疑會(huì)讓人們對(duì)其整體強(qiáng)度能否滿足要求產(chǎn)生質(zhì)疑。通常撐桿結(jié)構(gòu)對(duì)提高半潛式平臺(tái)整體強(qiáng)度起到非常重要的作用，然而該新型平臺(tái)沒(méi)有橫撐結(jié)構(gòu)。因此，為了探明該新型半潛式平臺(tái)的總體強(qiáng)度特點(diǎn)，及其與傳統(tǒng)半潛式平臺(tái)整體強(qiáng)度的差異，本文運(yùn)用設(shè)計(jì)波法對(duì)其進(jìn)行整體強(qiáng)度研究分析。

1 新型半潛式起重/生活平臺(tái)

該新型半潛式平臺(tái)集海上重型起重作業(yè)、甲板貨物儲(chǔ)存及生活居住功能為一體，且在起重作業(yè)方面表現(xiàn)出非常高的作業(yè)效率。該平臺(tái)主尺度為：總長(zhǎng)137.5 m，總寬81 m，型深39 m。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

因?yàn)樵撈脚_(tái)沒(méi)有橫撐結(jié)構(gòu)，因而建立的水動(dòng)力模型中只包含Panel單元。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)建立水動(dòng)力模型,如圖2。坐標(biāo)系符合右手定則，坐標(biāo)原點(diǎn)x，y坐標(biāo)位于平臺(tái)中橫剖面和中縱剖面的交點(diǎn)處，作業(yè)吃水時(shí)z向坐標(biāo)原點(diǎn)位于離平臺(tái)底部20 m處；自存吃水時(shí)z向坐標(biāo)原點(diǎn)位于離平臺(tái)底部17 m處。即坐標(biāo)原點(diǎn)始終保持在水面處。

從圖2中以看出，該平臺(tái)兩個(gè)浮筒的形狀和大小都不一樣，沒(méi)有橫撐結(jié)構(gòu)；同時(shí)可以看出，立柱內(nèi)側(cè)與甲板的連接區(qū)域都是大倒角半徑連接結(jié)構(gòu)形式。

圖2 新型半潛式平臺(tái)水動(dòng)力模型

2 平臺(tái)整體強(qiáng)度分析流程

本文使用DNV船級(jí)社的SESAM軟件包進(jìn)行強(qiáng)度分析。首先，使用GeniE模塊建立新型半潛式平臺(tái)的濕表面模型和整體結(jié)構(gòu)模型；然后，使用HydroD的WADAM模塊計(jì)算水動(dòng)力荷載；最后，考慮靜壓力載荷和水動(dòng)力載荷作用下，使用SESTRA模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。值得注意的是，WADAM模塊中計(jì)算的水動(dòng)力載荷即所謂的載荷傳遞函數(shù)，是單位波幅波浪作用下的水動(dòng)力載荷。將作用在結(jié)構(gòu)上的單位波幅的水動(dòng)力荷載從WADAM導(dǎo)入SESTRA計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。然后基于線彈性分析，在XTRACT中將線性波幅響應(yīng)線性疊加為設(shè)計(jì)波波幅響應(yīng)，并且實(shí)際的工況是靜水壓力和波動(dòng)載荷組合疊加。具體分析過(guò)程如圖3。

2.1 荷載分析

根據(jù)規(guī)范的強(qiáng)度校核要求，設(shè)計(jì)工況包括恒定載荷、功能性可變載荷、環(huán)境載荷、意外載荷和變形載荷。其中一般分析考慮的設(shè)計(jì)工況必須包括兩類工況，即恒定載荷(或叫靜水載荷)和包括風(fēng)、浪、流作用的環(huán)境載荷(或叫動(dòng)載荷)。靜力載荷通常就是結(jié)構(gòu)體的靜水壓力；動(dòng)載荷包括風(fēng)、浪、流、地震、冰擊等環(huán)境載荷。對(duì)平臺(tái)整體而言，波浪荷載起決定性作用，某些海域中冰荷載、流荷載和風(fēng)荷載也應(yīng)予以考慮[8]。本文中只考慮波浪荷載的影響。

圖3 半潛式平臺(tái)強(qiáng)度分析流程圖

根據(jù)DNV-RP-C103[9]規(guī)范可知，通常半潛式平臺(tái)整體強(qiáng)度評(píng)估，需要考慮的水動(dòng)力特征量包括以下7項(xiàng),如圖4所示：1)浮筒間的分離力FS；2)關(guān)于橫軸的扭矩Mt；3)浮筒間的縱向剪切力FL；4)浮筒上的垂向波浪彎矩MV；5)甲板質(zhì)量的縱向加速度aL；6)甲板質(zhì)量的橫向加速度aT；7)甲板質(zhì)量的垂向加速度aV。

根據(jù)以上7種特征響應(yīng)量可以推算出對(duì)應(yīng)的波浪參數(shù)，作為相關(guān)特征響應(yīng)量的設(shè)計(jì)波。對(duì)于半潛式平臺(tái)，通常主要考慮橫向分離力、縱向剪切力、橫向扭矩和垂向彎矩四種特征響應(yīng)量。本文針對(duì)無(wú)橫撐半潛式平臺(tái)研究，由橫浪引起的浮筒間的分離力荷載將非常敏感，尤其是立柱有甲板下沿的連接部位，需要特殊考慮。

圖4 水動(dòng)力響應(yīng)特征量

2.2 設(shè)計(jì)波篩選步驟

運(yùn)用設(shè)計(jì)波法首先需要解決的問(wèn)題就是選擇不同響應(yīng)特征量對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波，包括波高、波浪周期、波浪浪向角、波浪相位角等。在本文中使用確定性方法確定設(shè)計(jì)波參數(shù)。確定性方法是一種更加簡(jiǎn)單易懂的波浪篩選方法，本文參照張海彬[3]和徐志亮[10]等總結(jié)的設(shè)計(jì)波法，分析步驟如下：

①根據(jù)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀確定四種典型工況下的波浪特征周期以及周期搜索范圍；

②在頻域內(nèi)計(jì)算平臺(tái)各特征工況下的波浪載荷，計(jì)算時(shí)取波浪周期為4～21s。其中，在特征周期附近的10s周期范圍內(nèi)取步長(zhǎng)為0.2s，其他波浪周期范圍取步長(zhǎng)0.5s；

③從各工況對(duì)應(yīng)的波浪載荷的傳遞函數(shù)中查找出最大的波浪載荷，并且查找出最大載荷對(duì)應(yīng)的波浪周期、浪向及相位；

④借助規(guī)范的波陡公式(1)，計(jì)算步驟③中篩選出的波浪周期T所對(duì)應(yīng)的極限規(guī)則波波高H：

(1)

其中:g為重力加速度;S為極限規(guī)則波波陡;H為波高。而規(guī)范[8]規(guī)定的極限規(guī)則波波陡S為:

(2)

其中:T為波浪周期；H100為百年一遇的最大極限波高，一般規(guī)范[9]中取32m。

⑤設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定：步驟③中計(jì)算的最大響應(yīng)對(duì)應(yīng)的波浪周期、浪向和相位為設(shè)計(jì)波的周期、浪向和相位；步驟④中計(jì)算的極限規(guī)則波波高即為設(shè)計(jì)波波高。

2.3 本文中四種危險(xiǎn)工況設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定

從上節(jié)的設(shè)計(jì)波參數(shù)篩選步驟可知，波浪搜索的具體實(shí)施方案可以根據(jù)平臺(tái)的主尺度特征制定，前提是假設(shè)波浪方向是等概率分布的。對(duì)于一些特定的危險(xiǎn)工況，其危險(xiǎn)浪向通常是確定的。例如橫向分離工況，已經(jīng)被大量的研究證實(shí)，其在橫浪作用時(shí)最危險(xiǎn)，因此其他浪向可以直接忽略。然而，本文的研究對(duì)象是一座非對(duì)稱的平臺(tái)，左右浮筒不對(duì)稱，同時(shí)浮筒的首尾也不對(duì)稱。所以，各設(shè)計(jì)工況的危險(xiǎn)浪向都可能不同，則本文在計(jì)算入射角時(shí)，設(shè)置浪向覆蓋蓋所有范圍，即取浪向范圍為0°～360°，步長(zhǎng)5°。

2.3.1 各危險(xiǎn)工況設(shè)計(jì)波周期搜索方案[9]

本文研究對(duì)象作業(yè)水深500 m，屬于深水范疇。因此，利用深水時(shí)波長(zhǎng)和周期的關(guān)系式，即彌散公式(3)，來(lái)確定波浪周期的搜索范圍。

(3)

(1)橫向分離工況

根據(jù)規(guī)范[9],橫向分離工況的危險(xiǎn)波長(zhǎng)大約為型寬的2倍，因而初步設(shè)定波長(zhǎng)的搜索范圍為1.5～2.5倍型寬。該平臺(tái)的型寬是81 m，則波長(zhǎng)搜索范圍為121.5～202.5 m；那么由彌散公式求得對(duì)應(yīng)的周期范圍為8.83～11.39s,則選擇周期搜索范圍8～12s。而波長(zhǎng)為型寬2倍對(duì)應(yīng)的特征周期為10.2s,則在周期9.7～10.7s內(nèi)取步長(zhǎng)0.1s，其他波浪周期范圍步長(zhǎng)取0.5s。

(2)縱向剪切工況

剪切工況的危險(xiǎn)波長(zhǎng)大約為對(duì)角線長(zhǎng)的1.5倍，則假設(shè)波長(zhǎng)的搜索范圍為1～2倍對(duì)角線長(zhǎng)。本文中的結(jié)構(gòu)取對(duì)角線時(shí)，將兩浮筒近似為矩形截面的箱型浮筒，然后計(jì)算對(duì)角線長(zhǎng)度約為131.04 m，則波長(zhǎng)搜索范圍為131.04～262.08 m，那么對(duì)應(yīng)的周期搜索范圍為9.2～12.96s，則選擇搜索周期范圍為9～13s。而波長(zhǎng)為對(duì)角線長(zhǎng)1.5倍對(duì)應(yīng)的特征周期為11.2s,則在周期范圍10.7～11.7s內(nèi)步長(zhǎng)取0.1s，其他波浪周期范圍取步長(zhǎng)0.5s。

(3)橫向扭轉(zhuǎn)工況

橫向扭轉(zhuǎn)的危險(xiǎn)波長(zhǎng)大約為1.0倍的對(duì)角線長(zhǎng)，設(shè)定該波長(zhǎng)搜索范圍為0.6～1.4倍對(duì)角線長(zhǎng)度，則波長(zhǎng)搜索范圍為78.62～183.46 m，那么對(duì)應(yīng)的周期范圍為7.1～10.8s，則取搜索周期范圍7～11s。而波長(zhǎng)為對(duì)角線長(zhǎng)1倍對(duì)應(yīng)的特征周期為9.2s，則在周期8.7～9.7s內(nèi)取步長(zhǎng)0.1s，其他波浪周期范圍取步長(zhǎng)0.5s。

(4)垂向彎曲工況

垂向彎曲工況的危險(xiǎn)波長(zhǎng)一般略大于結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)，假設(shè)該工況波長(zhǎng)搜索范圍為對(duì)角線長(zhǎng)的0.8～1.6倍，則波長(zhǎng)搜索范圍為104.83～209.66 m，則周期范圍為8.2～11.6s，周期搜索范圍為8～12s。而波長(zhǎng)為對(duì)角線長(zhǎng)1倍對(duì)應(yīng)的特征周期為9.2s,則在周期8.7～9.7s內(nèi)取步長(zhǎng)0.1s，其他波浪周期步長(zhǎng)取0.5s。

綜上所述，4種工況的浪向搜索范圍取0°～360°，步長(zhǎng)取5°。不同工況設(shè)計(jì)波周期的搜索方案不同，具體搜索方案見(jiàn)表2。

2.3.2 設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定

不同的設(shè)計(jì)波特征荷載需要借助不同的響應(yīng)來(lái)表示，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)最大響應(yīng)來(lái)查找其對(duì)應(yīng)的波浪周期和浪向。本文研究中，中縱剖面上的橫向力來(lái)確定橫向分離力；中橫剖面上的縱向彎矩來(lái)確定垂向彎矩；中橫剖面上的縱向力來(lái)確定縱向剪切力；中橫剖面上的扭矩來(lái)確定橫向扭矩。如圖5，各剖面示意圖中，粉紅色平面為平臺(tái)中縱剖面，藍(lán)色平面為平臺(tái)中橫剖面。

表2 設(shè)計(jì)波周期搜索方案

圖5 各剖面示意圖

使用SESAMHYDRODWADAM模塊對(duì)新型半潛式平臺(tái)波浪載荷進(jìn)行計(jì)算，并在計(jì)算結(jié)果中搜索橫向分離力、縱向剪切力、橫向扭矩和垂向彎矩的最大響應(yīng)，以及最大響應(yīng)對(duì)應(yīng)的波浪周期、波浪方向和波浪相位，即為設(shè)計(jì)波的周期、浪向和相位。然后，將波浪周期代入步驟④計(jì)算得到設(shè)計(jì)波的波高，從而得到設(shè)計(jì)波的所有參數(shù)。

由于文章篇幅有限，以下僅以作業(yè)吃水時(shí)的橫向分離工況為例，進(jìn)行橫向分離工況設(shè)計(jì)波參數(shù)的篩選。首先建立該平臺(tái)的水動(dòng)力模型，然后計(jì)算作業(yè)吃水時(shí)，波浪周期在7～12s范圍內(nèi)不同浪向下的波浪載荷，最后從中選取橫向分離工況時(shí)的波浪載荷，如圖6所示(由于曲線太多，圖中僅畫出每隔30°的橫向分離載荷)。最大橫向分離力為1.648×107N，即中縱剖面上橫向力的最大傳遞函數(shù)值。該最大值出現(xiàn)在橫浪狀態(tài)，圖中顯示在270°浪向時(shí)橫向分離力最大，波浪周期為10s，對(duì)應(yīng)的相位為-29.339°。確定了波浪周期，然后通過(guò)3.2節(jié)中的步驟④計(jì)算，得出波高為17.6m，即波幅為8.8m。從而得到作業(yè)吃水時(shí)橫向分離工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)，即波幅8.8m，周期10s，浪向270°，相位-29.339°。

圖6 作業(yè)吃水時(shí)橫向分離力傳遞函數(shù)

根據(jù)同橫向分離工況設(shè)計(jì)波浪參數(shù)搜索相似的方案，對(duì)其它3種工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)進(jìn)行搜索，得到不同工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)如表3。從表3中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相同設(shè)計(jì)工況，當(dāng)平臺(tái)吃水不同時(shí)，設(shè)計(jì)波參數(shù)也不相同，如縱向剪切、橫向扭轉(zhuǎn)和垂向彎曲。另外，這3種工況的設(shè)計(jì)波周期均不在各自特征周期附近的周期范圍內(nèi)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的外形可能是這種現(xiàn)象的主要原因。

3 整體強(qiáng)度計(jì)算

該新型半潛式平臺(tái)的許用應(yīng)力參照ABS船級(jí)社[11]針對(duì)半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析規(guī)定的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。

表3 不同工況的設(shè)計(jì)波參數(shù)

①Condition；②Typical load；③Period；④Wave direction；⑤Amplitude；⑥Phase angle；⑦M(jìn)aximum response；⑧Operating condition；⑨Survival condition

(4)

其中:Fy為材料的屈服極限應(yīng)力;F.S為應(yīng)力安全系數(shù);應(yīng)力安全系數(shù)的選取標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

采用Von Mises等效應(yīng)力校核本文半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。等效應(yīng)力的表達(dá)式為：

(5)

其中:σx為x方向的平面應(yīng)力;σy為y方向的平面應(yīng)力;τxy為平面剪應(yīng)力。等效應(yīng)力的許用應(yīng)力同上式(4)，應(yīng)力安全系數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 海洋平臺(tái)許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

Note:①Load condition；②Satety factor；③Auowable stress；④Auowable Stress；⑤Hydrostatic condition；⑥Combined load condition

作為一個(gè)無(wú)橫撐的半潛式平臺(tái)，平臺(tái)立柱與甲板連接區(qū)域、立柱與浮筒連接等均為極限強(qiáng)度熱點(diǎn)區(qū)域，該區(qū)域均使用屈服極限應(yīng)力為550MPa的超高強(qiáng)度的鋼材。

3.1 整體強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)的主尺度數(shù)據(jù)以及圖紙資料，建立該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型，如圖7。計(jì)算中為了防止平臺(tái)發(fā)生位移，需要對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，約束區(qū)域應(yīng)該位于應(yīng)力非常小的位置。本文中遵照“321”原則，選擇在浮筒底部且立柱中心正下方如圖8所示區(qū)域。第一個(gè)點(diǎn)位于靠近大浮筒尾部位置，約束其x、y、z方向，轉(zhuǎn)動(dòng)自由；第二點(diǎn)位于靠近大浮筒艏部位置，約束其y、z方向，x位移方向和所有轉(zhuǎn)動(dòng)自由；第三個(gè)點(diǎn)位于小浮筒靠近艏部位置，為僅z位移方向被約束。

在本節(jié)中，利用設(shè)計(jì)波法分別研究分析了結(jié)構(gòu)在不同工況作用下的平臺(tái)整體強(qiáng)度。設(shè)置工況如下：

圖7 新型平臺(tái)的結(jié)構(gòu)模型

圖8 平臺(tái)的約束布置

工況1：靜水工況；

工況2：橫向分離力工況；

工況3：縱向剪切力組合工況；

工況4：橫向扭矩組合工況；

工況5：垂向彎矩組合工況。

新型半潛式平臺(tái)在作業(yè)吃水20 m和自存吃水17 m時(shí)，計(jì)算結(jié)果分別如表5和6所示。典型工況下的應(yīng)力分布如圖9和10所示，其中圖9為作業(yè)吃水時(shí)工況2的結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力分布，可以看出最大等效應(yīng)力發(fā)生出現(xiàn)在靠近船艏的大立柱內(nèi)側(cè)與甲板連接拐角區(qū)域；圖10為作業(yè)吃水時(shí)，工況3的最大等效應(yīng)力分布，其最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的區(qū)域?yàn)榭拷嫉拇罅⒅皞?cè)與下浮筒連接拐角區(qū)域。

表5 作業(yè)吃水時(shí)平臺(tái)的最大應(yīng)力及出現(xiàn)位置

表6 自存吃水時(shí)平臺(tái)的最大等效應(yīng)力及出現(xiàn)位置

圖9 作業(yè)吃水工況2的應(yīng)力分布

圖10 自存吃水工況3的應(yīng)力分布

對(duì)表5、6進(jìn)行分析，可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：第一，應(yīng)力較大的位置主要分布在立柱與甲板連接拐角區(qū)域、立柱與浮筒連接拐角區(qū)域；第二，最大應(yīng)力多發(fā)生在大立柱內(nèi)側(cè)與甲板連接區(qū)域；第三，與衡準(zhǔn)許用應(yīng)力相比，結(jié)構(gòu)滿足整體強(qiáng)度要求。

另外，從表5中可以看出，新型半潛式平臺(tái)在作業(yè)吃水的情況下，需要特別注意垂直于浮筒方向來(lái)浪(尤其是從小浮筒一側(cè)來(lái)浪)導(dǎo)致的橫向分離力。這種載荷引起的最大等效應(yīng)力大于其他三種設(shè)計(jì)波載荷引起的最大等效應(yīng)力；與其不同的是，自存吃水工況時(shí)，新型半潛式平臺(tái)縱向剪切力引起的最大等效應(yīng)力大于其他三種工況引起的最大等效應(yīng)力，如表6所示。所以，作業(yè)吃水時(shí)要避免平臺(tái)受到橫向波浪載荷作用；自存吃水時(shí)要盡量避免縱向波浪載荷的作用。

3.2 新型平臺(tái)和對(duì)照平臺(tái)整體強(qiáng)度對(duì)比分析

為了研究大倒角設(shè)計(jì)對(duì)平臺(tái)整體強(qiáng)度的影響，文中建立了一個(gè)對(duì)照平臺(tái)，該平臺(tái)立柱與甲板直角相連接，且具有橫撐結(jié)構(gòu)，平臺(tái)主體其他部分和新型半潛式平臺(tái)一樣。同時(shí)，對(duì)照組半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的加強(qiáng)情況和新型半潛式平臺(tái)基本相同，另外對(duì)立柱與橫撐的連接處適當(dāng)加強(qiáng)。濕表面模型和結(jié)構(gòu)模型如圖11。

圖11 對(duì)照半潛式平臺(tái)的濕表面模型和結(jié)構(gòu)的整體模型

5種工況作用下，對(duì)比新型平臺(tái)和對(duì)照平臺(tái)在作業(yè)吃水時(shí)，立柱與甲板連接區(qū)域的最大等效應(yīng)力(見(jiàn)表7)。

表7 作業(yè)吃水時(shí)對(duì)照平臺(tái)的立柱與甲板連接區(qū)域的最大等效應(yīng)力

對(duì)比表5和7，不同工況作用下新型平臺(tái)在立柱與甲板連接區(qū)域的最大等效應(yīng)力小于對(duì)照組平臺(tái)在該處的等效應(yīng)力，即當(dāng)該非對(duì)稱無(wú)橫撐半潛式平臺(tái)的立柱與甲板連接區(qū)域設(shè)計(jì)為大倒角結(jié)構(gòu)形式時(shí)，它的整體強(qiáng)度甚至優(yōu)于有橫撐非對(duì)稱半潛式平臺(tái)。這種現(xiàn)象說(shuō)明，大倒角設(shè)計(jì)對(duì)于該新型半潛式平臺(tái)而言，對(duì)提高新型半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度非常有效。

另外，對(duì)照平臺(tái)整體應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在：立柱內(nèi)側(cè)與甲板連接區(qū)域、立柱與浮筒連接拐角區(qū)域以及橫撐與立柱連接區(qū)域。其中，最大等效應(yīng)力主要位于橫撐與立柱連接處。

4 結(jié)論

本文基于設(shè)計(jì)波法對(duì)某非對(duì)稱無(wú)橫撐新型半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度進(jìn)行了研究分析。首先，建立了該平臺(tái)的濕表面模型和結(jié)構(gòu)模型；其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)的主尺度和波浪載荷傳遞函數(shù)，確定了各工況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波；然后，研究分析了該平臺(tái)在不同設(shè)計(jì)波作用下的整體強(qiáng)度特點(diǎn)；最后，針對(duì)該平臺(tái)的大倒角設(shè)計(jì)，引入一對(duì)照組半潛式平臺(tái)，通過(guò)對(duì)比研究，分析了大倒角設(shè)計(jì)對(duì)新型平臺(tái)整體強(qiáng)度的影響。研究結(jié)論如下：

(1)立柱與浮筒連接區(qū)域、立柱與甲板連接拐角區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域，建議對(duì)這些區(qū)域定期檢測(cè)和維護(hù)。

(2)作業(yè)吃水時(shí)，橫向分離工況下出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，尤其從小浮筒指向大浮筒方向的橫向波浪；自存吃水時(shí)，縱向剪切工況將導(dǎo)致最大等效應(yīng)力。在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)盡量避免在這2種工況下作業(yè)。

(3)與對(duì)照組有橫撐的半潛式相比，新型半潛式平臺(tái)整體強(qiáng)度的特點(diǎn)主要體現(xiàn)為：對(duì)照組對(duì)稱有橫撐的半潛式平臺(tái)的等效應(yīng)力多發(fā)生在橫撐與立柱的連接區(qū)域，而新型半潛式平臺(tái)的極限應(yīng)力多發(fā)生在大立柱內(nèi)側(cè)與甲板連接區(qū)域。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)立柱內(nèi)側(cè)與甲板連接處的大倒角結(jié)構(gòu)是提高整體強(qiáng)度非常有效的設(shè)計(jì)。

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責(zé)任編輯 陳呈超

Global Strength Analysis of a Novel Semi-Submersible Platform

CAO Yi-Jun1, WANG Shu-Qing1, SONG Xian-Cang1, FU Qiang1,2

(1.College of Engineering, Shandong Provincical Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.CIMC-Raffles Offshore Institute Co Ltd., Yantai 264000, China)

Based on the design wave method, the global strength analysis of a novel accommodation/crane semi-submersible(SEMI) is conducted in this paper. The semi-submersible platform adopted in the paper is different from the conventional semi-submersible platform in geometrical characteristic and hydrodynamic performance. The novel semi-submersible platform, with two non-symmetrical pontoons and with two groups of non-symmetrical columns connected with the pontoons and deck, is not symmetrical about its middle longitudinal section. In addition, the shape of the pontoons at the bow and stern are not same with each other, and the horizontal connections braces of the novel semi-submersible platform is not taken into consideration at the design process to improve the towing speed. The unique geometrical characteristics of this novel SEMI makes its stress distribution distinguish from that of traditional semi-submersible, which makes it's necessary to study the global strength of the novel semi-submersible. In this paper, the wave parameter of the four kinds of typical conditions are first screened out based on the design wave method. Further, a fine meshed finite element model of the novel semi-submersible is established, and the global strength analysis are conducted under the typical design conditions to obtain the stress distribution of the novel platform via the quasi static analysis recommend by the design code. Finally, another novel semi-submersible platform with horizontal connection braces are demonstrated in the example, and the discrepancy of the stress distribution arising from the horizontal connection braces are investigated by comparing the stress result associated with the novel semi-submersible platform with and without horizontal braces. The numerical results indicate that the maximum Von Mises stress of the novel semi-submersible platform without horizontal connection braces occurs at the inner part of large columns and deck connection areas which may resulted from the discontinuity of the material. While the maximum Von Mises stress of the structure with horizontal connection braces mainly appears at the connection between the columns and the braces. In addition, it has found that the large fillet radius shape for the joint area, where columns and deck connect with each other, is an effective design to reduce the novel semi-submersible’s global strength. This study can provide a significance reference and guidance for the design of future new concept semi-submersible platform.

novel semi-submersible platform; asymmetrical pontoons; global strength; design wave method

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51490675;51379196)；泰山學(xué)者工程專項(xiàng)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (51490675;51379196); The Taishan Scholars Program of Shandong Province

2015-04-11；

2016-03-15

曹義軍(1990-)，男，碩士生。

?? 通訊作者：E-mail：shuqing@ouc.edu.cn

P715

A

1672-5174(2016)12-117-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150098

曹義軍， 王樹(shù)青， 宋憲倉(cāng), 等. 一種非對(duì)稱無(wú)橫撐半潛式平臺(tái)的整體強(qiáng)度評(píng)估[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(12): 117-125.

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