陳 悅

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226000）

0 引言

海洋平臺(tái)作為海洋資源開采及確保海上軍事安全的基礎(chǔ)性工具，一直是各國海洋裝備開發(fā)的首要任務(wù)[1]。近些年來，海洋資源的開發(fā)步伐已經(jīng)從一開始的淺海慢慢發(fā)展到超深海區(qū)域，半潛式平臺(tái)也已經(jīng)從第一代發(fā)展到了第七代[2]。但與此對(duì)應(yīng)的是半潛式海洋平臺(tái)工作環(huán)境越發(fā)惡劣，承受載荷更加復(fù)雜，平臺(tái)結(jié)構(gòu)承受著巨大的外力作用，保證半潛式平臺(tái)在惡劣海況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全要求已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過程中的重要問題之一[3]。

本文以某深海半潛式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，基于數(shù)值方法對(duì)該平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算分析。首先，參考DNV現(xiàn)有的海洋結(jié)構(gòu)物疲勞規(guī)范，基于DNV開發(fā)的SESAM/HydroD實(shí)現(xiàn)本文半潛式平臺(tái)的波浪載荷預(yù)報(bào)工作。其次，基于有限元軟件MSC.Patran建立目標(biāo)平臺(tái)的整體有限元模型，再利用Nastran完成了目標(biāo)半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

1 半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)

以南海某半潛式海洋平臺(tái)作為本文的研究對(duì)象，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用船殼式上部箱體結(jié)構(gòu)、四立柱、雙浮體、雙橫撐和無斜撐的設(shè)計(jì)。本章計(jì)算分析時(shí)共參照兩種不同的坐標(biāo)系：1）輸入坐標(biāo)系（Input Coordinate System）；2）全局坐標(biāo)系（Global Coordinate System）。輸入坐標(biāo)系為浮動(dòng)坐標(biāo)系，平臺(tái)的重心、浮心和自由表面等都參考此坐標(biāo)系確定，半潛平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)、吃水變化和模型最終位置等則參考全局坐標(biāo)系。本文用以計(jì)算的目標(biāo)半潛平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示。

表1 目標(biāo)半潛平臺(tái)主要參數(shù)

2 半潛式平臺(tái)水動(dòng)力載荷計(jì)算

利用DNV開發(fā)的SESAM/HydroD軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)半潛式平臺(tái)的波浪載荷預(yù)報(bào)工作。首先，基于SESAM建立目標(biāo)平臺(tái)的水動(dòng)力模型，在水動(dòng)力分析過程中認(rèn)為目標(biāo)平臺(tái)為剛體，不考慮結(jié)構(gòu)變形的影響[4]。計(jì)算時(shí)的波浪環(huán)境條件可以參考文獻(xiàn)[5]，典型波浪工況[6]的選擇如表2所示。

表2 DNV規(guī)范推薦的6個(gè)計(jì)算工況

圖1給出了半潛式海洋平臺(tái)中縱剖面縱向剪力和橫向力的載荷傳遞函數(shù)。

圖1 中縱剖面的載荷傳遞函數(shù)

3 半潛式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

3.1 半潛式平臺(tái)有限元計(jì)算模型

半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算在MSC.Patran/Nastran中完成。有限元模型的合理性直接關(guān)系到半潛式海洋平臺(tái)總體強(qiáng)度計(jì)算的真實(shí)性，為了能夠較為真實(shí)地反映平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)值，本文有限元模型嚴(yán)格按照?qǐng)D紙進(jìn)行建立，有限元模型如圖2所示。

圖2 平臺(tái)有限元模型

3.2 材料特性及應(yīng)力衡準(zhǔn)

計(jì)算目標(biāo)平臺(tái)主體采用ABS-AH36級(jí)高強(qiáng)度鋼，為了保證其屈服強(qiáng)度，在橫撐與浮體、立柱與浮體、立柱與上平臺(tái)等連接區(qū)域采用ABS-EQ51、EQ56級(jí)高強(qiáng)度鋼。關(guān)于半潛式平臺(tái)的強(qiáng)度應(yīng)力衡準(zhǔn)參照CCS《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》[7]，平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，其構(gòu)件強(qiáng)度不應(yīng)大于許用應(yīng)力值[σ]：

式中：σy為屈服強(qiáng)度；s為安全系數(shù)，s的取值與平臺(tái)所處狀態(tài)有關(guān)[8]，當(dāng)平臺(tái)處于靜水工況時(shí)s取1.43，當(dāng)平臺(tái)處于自存工況和作業(yè)工況時(shí)s取1.11。本文的所有計(jì)算都是以自存工況為例。

3.3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果分析

在有限元分析時(shí)，為了防止半潛平臺(tái)發(fā)生六自由度的剛體運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)有限元模型進(jìn)行相應(yīng)的線位移邊界條件約束[9]?；诤筇幚碥浖﨧SC.Natran對(duì)目標(biāo)半潛式平臺(tái)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)分析，可以得到平臺(tái)在不同組合工況下主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。圖3為半潛式平臺(tái)在LC1～LC6工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，具體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖3 半潛式平臺(tái)在不同工況下的應(yīng)力云圖

表3 目標(biāo)平臺(tái)各載荷工況下的最大等效應(yīng)力值 單位：MPa

從計(jì)算結(jié)果可以看出，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力水平合理，但平臺(tái)的各主體結(jié)構(gòu)仍然存在明顯的高應(yīng)力區(qū)域，這些高應(yīng)力區(qū)域主要位于各主體結(jié)構(gòu)的連接區(qū)域及其他局部：1）上部結(jié)構(gòu)與立柱連接區(qū)域，6個(gè)載荷工況下的平均應(yīng)力為252.2 MPa；2）立柱與橫撐連接區(qū)域，平均應(yīng)力為287.6 MPa；3）立柱與下浮體連接區(qū)域，平均應(yīng)力為306.9 MPa；4）上部箱體中間甲板與開口的連接處，平均應(yīng)力為247.6 MPa。

4 結(jié)論

本文建立了基于數(shù)值計(jì)算的半潛式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算方法。從計(jì)算結(jié)果上看，橫撐和下浮體的最大等效應(yīng)力全部在LC2工況，立柱的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在LC1工況，上部箱體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在LC3工況。LC1和LC3工況所對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)波浪為斜浪，而LC2工況所對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)波浪為橫浪，在平臺(tái)初步設(shè)計(jì)階段需要首先確保這兩個(gè)浪向下的總體強(qiáng)度。本文所得結(jié)論可為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合理評(píng)估提供一定的參考。