趙 南，竺一峰，李政杰

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫214082)

0 引言

對(duì)于長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中的鉆井平臺(tái)而言，其受力情況十分復(fù)雜。在各種環(huán)境載荷（如風(fēng)、浪、流）作用下，極易導(dǎo)致平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而導(dǎo)致平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)失效，造成經(jīng)濟(jì)損失，人員傷亡等[1]。而極限強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估的重要指標(biāo)，為了獲得安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的生存能力，需要精確評(píng)估主要結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度[2–3]。

目前，極限強(qiáng)度常用的方法包括逐步破壞法[4–6]、數(shù)值仿真法[7–8]、模型試驗(yàn)法[9]等。本文以第七代鉆井平臺(tái)薄弱結(jié)構(gòu)撐桿為研究對(duì)象，開展撐桿結(jié)構(gòu)在壓縮載荷作用下極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)研究，數(shù)值仿真研究等。通過本文的研究，建立第七代鉆井平臺(tái)撐桿結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)技術(shù)，掌握該結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，給出結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形特征情況，為該結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支撐。同時(shí)通過模型試驗(yàn)與數(shù)值仿真的對(duì)比驗(yàn)證，促進(jìn)數(shù)值仿真方法的進(jìn)一步發(fā)展。

1 試驗(yàn)對(duì)象

本次試驗(yàn)對(duì)象為第七代鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的部分平臺(tái)立柱結(jié)構(gòu)以及撐桿。其中立柱的高度為25 m，長(zhǎng)度為19.25 m，寬度為18.5 m，轉(zhuǎn)角半徑為4.55 m，撐桿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度約為33.29 m，直徑為3.2 m，立柱和撐桿結(jié)構(gòu)原型仿真模型如圖1和圖2所示。

2 相似關(guān)系

為了便于模型設(shè)計(jì)及加工，試驗(yàn)采用材料屈服應(yīng)力為310 MPa（根據(jù)材料試驗(yàn)得出）的船用材料，主尺度及板厚縮尺比均為λ，根據(jù)相似理論得出，力的相似關(guān)系如下式：

圖1 模型試驗(yàn)區(qū)域及有限元結(jié)構(gòu)Fig.1 Test area and finite element model of column prototype

圖2 撐桿原型有限元模型Fig.2 Finite element model of struct

其中：Fs為 原型載荷；Fm為模型載荷。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果以及試驗(yàn)室加載等情況綜合考慮，選定主尺度及板厚縮尺比為6。圖3和圖5為實(shí)際結(jié)構(gòu)與等效模型的數(shù)值仿真模型，其中簡(jiǎn)化模型僅采用一根撐桿結(jié)構(gòu)，立柱結(jié)構(gòu)按照艙壁將其簡(jiǎn)化成1/4的模型，即模擬立柱半寬，撐桿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的T型骨材采用扁鋼進(jìn)行模擬。圖4和圖6為極限狀態(tài)下實(shí)際結(jié)構(gòu)和等效模型的應(yīng)力分布情況，可以看出簡(jiǎn)化后的結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布大體一致。圖7和圖8為撐桿結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真得到的失效模式，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，2模型的撐桿結(jié)構(gòu)的失效模式基本一致，應(yīng)力分布大體相似。圖9為整個(gè)結(jié)構(gòu)的載荷位移曲線，通過計(jì)算得出實(shí)際撐桿結(jié)構(gòu)的極限壓縮載荷為1.60×108N，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉O限壓縮載荷為4.57×106N，轉(zhuǎn)換為實(shí)際結(jié)構(gòu)后得出的壓縮載荷為1.64×108N，與原型極限載荷誤差為2.5%。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本方案的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)合理。

圖 3原型結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真計(jì)算模型Fig.3 Finite element model of prototype

圖4 原型結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真計(jì)算模型極限狀態(tài)Fig.4 Limit statestress tensor of prototype

圖5 簡(jiǎn)化后試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 Simplied model

圖6 簡(jiǎn)化后試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果Fig.6 Limit state stress tensor of simiplied model

圖7 撐桿原型極限狀態(tài)失效模式Fig.7 Limit state stress tensor of struct prototype

圖8 簡(jiǎn)化模型極限狀態(tài)失效模式Fig.8 Limit state stresstensor of simplied model

圖9 載荷-位移曲線Fig.9 Load-displacement curve

4 測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)點(diǎn)布置

模型試驗(yàn)測(cè)試儀表包括靜態(tài)應(yīng)變儀、位移傳感器、應(yīng)變片等。圖10為模型試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)布置情況，沿?fù)螚U各跨布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿?fù)螚U縱向布置，并在撐桿加載端布置位移傳感器，同時(shí)在剖面1、剖面2、剖面3布置位移傳感器。

圖10 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置Fig.10 Location of measure points

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

5.1 壓縮載荷作用下彈性范圍內(nèi)模型試驗(yàn)

壓縮載荷作用下的彈性范圍內(nèi)模型試驗(yàn)主要是通過多次的加載消除模型加載裝置以及工裝之間的間隙。本次試驗(yàn)在彈性范圍內(nèi)加載3次，應(yīng)變曲線如圖11所示?？梢钥闯觯瑴y(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化基本處于線性狀態(tài)，且其加載3次前后的變化基本一致。

圖11 彈性狀態(tài)載荷應(yīng)變曲線Fig.11 Load-strain curve of elastic state

5.2 壓縮載荷作用下模型極限強(qiáng)度試驗(yàn)

圖12 為結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的失效模式，圖13為本次試驗(yàn)得到的載荷位移曲線。可以看出，模型試驗(yàn)中極限載荷為3200 kN。該載荷與設(shè)計(jì)階段的4570 kN存在較大的差異，且失效部位與數(shù)值仿真結(jié)果存在差異，極限載荷差異主要因?yàn)樵囼?yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧锨O限約為310 MPa，相比于設(shè)計(jì)階段的極限載荷355 MPa而言略小，且其撐桿外殼的板厚與理論值相比為負(fù)公差。因此，試驗(yàn)結(jié)果小于其設(shè)計(jì)模型結(jié)果。

圖12 極限狀態(tài)失效模式Fig.12 Collaspe mode of limit state

圖13 載荷-位移曲線Fig.13 Load-displacement curve

6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头抡嬗?jì)算分析

為驗(yàn)證數(shù)值仿真方法得出結(jié)果的可靠性，采用試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)為基準(zhǔn)，建立有限元模型，開展壓縮載荷作用下的結(jié)構(gòu)極限承載能力仿真計(jì)算。圖14為仿真計(jì)算獲得的撐桿結(jié)構(gòu)失效模式，圖15為仿真計(jì)算獲得的壓縮載荷位移曲線?？梢缘贸鰮螚U結(jié)構(gòu)壓縮極限載荷為3435 kN，與試驗(yàn)結(jié)果相差7.3%左右，該數(shù)值仿真結(jié)果中尚未計(jì)及初始變形以及焊接殘余應(yīng)力的影響，因此，本數(shù)值仿真結(jié)果精度可以滿足工程要求。

圖14 仿真計(jì)算失效模式Fig.14 Collpase mode of numerical simulation

圖15 載荷-位移曲線Fig.15 Load-dislpacement curve

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究，首先開展撐桿結(jié)構(gòu)模型參數(shù)設(shè)計(jì)，通過數(shù)值仿真分析驗(yàn)證縮比模型設(shè)計(jì)的正確性；然后，對(duì)模型相應(yīng)的彈性試驗(yàn)及極限承載能力試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的分析，通過分析主要得出以下結(jié)論：

1）本文根據(jù)相似關(guān)系進(jìn)行的模型設(shè)計(jì)合理；

2）通過彈性范圍內(nèi)模型試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，模型的應(yīng)變?yōu)榫€性狀態(tài)；

3）通過極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)可以看出，整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效是由撐桿結(jié)構(gòu)失效所引起的；

4）本文的分析方法可為我國(guó)第七代鉆井平臺(tái)撐桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供技術(shù)支撐。