于 雯， 王 艷， 張佳佳， 趙 峰

(泰州職業(yè)技術學院， 江蘇 泰州 225300)

0 引 言

多功能自升式平臺由多功能上層建筑模塊和主平臺基座組成，將單一功能模塊化，實現(xiàn)各種功能模塊與船體組合形成多樣化的功能。上層建筑模塊可以是風電安裝模塊平臺、生活模塊平臺、修井模塊平臺、氣體壓縮模塊平臺、海上移動電站模塊平臺、近岸施工模塊平臺等功能性模塊。平臺基座為箱型焊接船體，預留各個功能模塊接口和必要設備的接口，便于多功能上層建筑模塊的安裝。為了保證功能模塊的靈活配置，便于改裝或者設備升級，接口的適用性、標準性設計很有必要。

為了更好地體現(xiàn)模塊化技術的通用性和標準性，美國、德國、丹麥、瑞典等國家在將模塊化技術應用于實踐的過程中逐步制定和完善了一系列相應的標準和規(guī)范[1-2]。通過制定和貫徹統(tǒng)一標準，包括機械接口、電子模塊及其基座、開口尺寸、螺栓孔等標準，某些戰(zhàn)略裝備模塊可以實現(xiàn)相互換裝[3-4]。我國在船舶和海洋工程建造方向的模塊化研究較多[5-7]，對于為了實現(xiàn)平臺的功能化而設計的模塊化安裝接口研究并不多，與模塊接口有關的標準也較少。徐杰等[8]對自升式施工平臺的功能需求進行研究,提出幾種不同形式的自升式施工平臺,并將其推廣應用于實際工程；王揚等[9]介紹國內外現(xiàn)有的自升式多功能水上施工平臺,分析其功能優(yōu)勢和缺陷,闡明多功能施工平臺的發(fā)展趨勢和應用前景，研發(fā)集打樁、清基、整平、起重、風電安裝等功能于一身并可提供海上生活支持、工程支持的多功能平臺迫在眉睫。上述研究說明多功能平臺研究的必要性。對多功能平臺進行研究，其實質是將不同功能的上層建筑模塊整合至主平臺基座上，在整合過程中，各個功能模塊與主平臺基座如何對接，不同上層建筑模塊之間如何快速切換是研究的重點，設計一款適用于主平臺基座與各功能模塊之間的轉換接口，能有效提高平臺使用效率、降低使用成本，也是多功能平臺設計的關鍵點。

因此，在各功能模塊設計完成的前提下，根據不同平臺功能特點，設計模塊與主體之間的接口，進行接口標準化設計，可實現(xiàn)平臺的通用化、提高平臺本身的利用價值。采用標準化接口組裝能提高平臺的建造效率，各個上層建筑模塊可以分開制造，提高生產效率，也在一定程度上降低了生產和運營成本。模塊標準化接口的設計還可以使得模塊便于維修，提高平臺的可用性、經濟性和功能的可重復性。

1 研究方法和技術路線

1.1 研究方法

1.1.1 風載荷計算

根據美國船級社(ABS)規(guī)范[10]，水平風載荷的大小主要與風壓、平臺結構的受風面積、結構物的高度和形狀有關，計算式為

(1)

式中：P為水平風載荷；f為因數(shù)，取值0.611；Vk為風速，根據規(guī)范，在無限制航區(qū)常規(guī)鉆井和拖航工況下的最小風速不得小于36.0 m/s(70 kn)，在極限風暴工況下必須能夠承受不小于51.5 m/s(100 kn)的風速，在限制航區(qū)最小風速不得小于25.7 m/s(50 kn)；Cs為形狀因數(shù)，如表1所示；Ch為高度因數(shù)，如表2所示。

表1 Cs取值

表2 Ch取值

續(xù)表2 Ch取值

1.1.2 波浪載荷計算

波浪載荷計算采用設計波法，克服傳統(tǒng)波浪理論的局限，根據水深、波高、周期等數(shù)據，采用Stokes五階波速度勢函數(shù)[11-12]計算波浪水質點的速度和加速度；作用在樁腿上的波浪載荷采用莫里森公式[13]計算。

1.2 技術路線

為了便于多功能模塊的升級改造，接口設計必須考慮標準化及可拆卸，因此針對不同功能的上層建筑模塊，設計符合強度要求的通用接口尺寸。為了便于拆卸，將通用接口設計成2部分，分別為安裝在多功能上層建筑模塊上的接口部分和安裝在主體平臺上的接口部分。

為了滿足2部分接口的安裝方便和精度，在設計時增加接口之間的導向裝置；結合平臺結構特點，進行接口安裝位置設計和結構加強設計；為了保證安裝后的強度可靠性，選擇合適的連接和安裝方法。

采用三維勢流理論分析設計海況參數(shù)[14]，采用SEASM軟件模擬接口對接情況、邊界條件和載荷，研究典型工況下接口的典型狀態(tài)，進行規(guī)范校核，找出設計缺陷，以此為依據進行結構改進優(yōu)化，設計滿足強度、使用性要求而具有應用價值的平臺多功能接口。

項目技術研究路線如圖1所示。設計接口一部分位于上層建筑模塊上，另一部分位于主平臺甲板，位于平臺甲板的接口安裝在船體強結構處，并在接口與船體連接處設置加強結構。

圖1 項目技術研究路線

2 標準化接口結構設計

2.1 結構設計

在進行結構設計時，采用如下設計：設計上部模塊基座接口和主平臺通用基座接口，接口通過上下面板的螺栓連接，上下面板的螺栓孔尺寸和間距絕對一致，為保證安裝的精度要求，設計安裝導向結構，使得模塊安裝時螺栓孔能精確定位。

接口設計如圖2所示，具體包括3個方面：接口結構設計，保證模塊安裝的方便和準確；接口位置設計，滿足局部強度和吊裝的需求；標準化接口與主體連接的方式設計，保證主體強度不被削減。標準化接口由上部模塊基座接口、導向結構和主平臺通用基座接口組成，上部模塊接口與通用基座接口通過螺栓連接，上部模塊接口與不同的多功能上層建筑模塊連接，通用基座接口設置在主體平臺上，導向結構為模塊基座接口與通用基座接口提供定位功能，保證安裝快速定位和安裝位置的準確。

圖2 標準化接口結構連接三維圖

如圖3和圖4所示，上部模塊基座接口由連接柱、貫穿連接肘板、過渡結構圓弧、豎向引板和橫向連接板組成。連接柱上部與上層建筑構造柱連接，下部與上層建筑模塊主體橫梁連接；為了避免橫梁與連接柱之間由結構尺寸不同引起的應力集中，將連接柱下部設計成三維圓弧結構，并采用貫穿底部的圓弧肘板連接；在上層建筑模塊主體橫梁中部和下部設置3個豎向引板，與導向結構和主平臺通用基座接口上的引板結構對應，達到定位和位置矯正的作用，同時增加局部結構強度；在上部模塊基座接口下端設置橫向連接板，與通用基座接口的橫向連接板連接，達到固定功能模塊的作用。導向結構由4塊傾斜60°的側板組成一個封閉矩形空間，矩形底座尺寸與橫向連接板相同，作為上部模塊基座接口和通用基座接口的過渡設備；通用基座接口設置在縱艙壁位置，由側向加強肘板、豎向引板和橫向連接板組成，底部與基礎平臺連接并進行結構加強。

單位：mm圖3 標準化接口橫剖面

單位：mm圖4 標準化接口縱剖面

2.2 連接設計

上部模塊基座接口與通用基座接口通過螺栓連接，螺栓布置如圖5所示。為了保證強度足夠，基座接口安裝在基礎平臺縱橫艙壁連接處，并采用布置縱橫加強筋的方法對縱橫艙壁連接處作加強處理，安裝位置及局部加強如圖6所示。

圖5 螺栓布置圖

單位：mm圖6 安裝位置及局部加強

3 結構分析

3.1 平臺裝載工況

平臺裝載工況繁雜多樣，選取其中各個模塊典型的裝載工況作為校核依據，按照各個模塊平臺的裝載要求及燃油淡水消耗量進行裝載，滿足30 d的自持能力。設計空船質量為7 200.00 t，考慮不同模塊平臺燃油、淡水、壓載水裝載和功能基座等，對平臺進行壓載水配載調平，確定各個模塊的典型裝載工況，總質量分別如下：基本型平臺9 450.60 t；修井平臺11 067.60 t；生活平臺10 792.60 t；風電安裝平臺11 470.99 t；近岸施工平臺10 971.42 t；海上移動發(fā)電平臺11 563.63 t；氣體壓縮平臺11 292.93 t。

3.2 結構模型

3.2.1 環(huán)境載荷分析

根據國內外近海自航自升式平臺的作業(yè)區(qū)域技術要求，研究適合大部分近海區(qū)域(水深約50 m)要求的海上作業(yè)平臺。設計載荷須考慮基座上可能安裝的各種模塊，保證所有功能模塊安裝和工作情況下結構的安全性。根據ABS設計規(guī)范[10]、各種類型自升式平臺適用的海況數(shù)據及工況特點[15-16]，以及樁腿計算書，在樁腿利用率最高的工況中，選取典型的3個工作工況、1個自存工況和起吊工況進行設計。設計海況參數(shù)如表3所示。

表3 設計海況參數(shù)

續(xù)表3 設計海況參數(shù)

3.2.2 模型創(chuàng)建

平臺結構模型主要包括樁腿和主船體。用SESAM軟件的GeniE模塊建立模型，樁腿采用二維梁單元模擬，主船體采用等效梁單元模擬。采用質量點和縮放密度的方法調整船體質量，模擬船體真實剛度。根據表3和平臺總布置設計參數(shù)，采用質量點方法模擬多功能上層建筑模塊位置和質量，圖7所示為氣體壓縮平臺結構模型。在建模時：坐標原點取在船尾、船體中心線與船底中心線交點處；x軸平行于船體中心線，相對船尾指向船首為正；y軸垂直于船體中心線，指向左舷為正、右舷為負；z軸垂直于船底板中心線，向上為正。為保證計算的精度，標準化接口與船體連接處采用網格細化的方法進行處理，采用固定約束模擬接口與船體之間的螺栓連接，如圖8和圖9所示。

圖7 氣體壓縮平臺結構模型

圖8 標準化接口模型

圖9 網格劃分

3.3 規(guī)范校核

校核不同功能上層建筑模塊與主平臺連接時的接口應力，不同功能模塊標準化接口應力最大位置和最大應力數(shù)值如表4所示。風電安裝平臺應力分布如圖10所示。

表4 不同功能模塊標準化接口應力計算結果

圖10 風電安裝平臺標準化接口應力分布

4 結 論

設計一種自升式平臺多功能上層建筑模塊與平臺主體模塊的對接標準化接口，接口由多功能上層建筑模塊接口、導向裝置和主平臺通用基座接口組成，便于諸如修井模塊、近岸施工模塊、生活模塊、70 MW 海上移動電站模塊、氣體壓縮模塊和風電安裝等功能模塊與主平臺模塊進行整合、切換，提高平臺持續(xù)可利用率，增加平臺經濟性。

建立功能模塊、標準化接口、主平臺模塊為一體的有限元模型，選取各個模塊典型的裝載工況作為校核的依據，基于自升式平臺適用的設計海況參數(shù)，進行標準化接口規(guī)范校核和優(yōu)化，驗證設計的合理性。研究結果表明，風電安裝平臺模塊應力最大，最大應力位于上部模塊導向板與橫梁連接處，通過對局部進行肘板加厚處理，使風電安裝平臺模塊滿足設計要求；其他模塊強度均滿足規(guī)范要求。