自升式平臺桁架腿性能參數(shù)敏感性分析

王宏安 蒙占彬 崔希君

摘要：本文以自升式平臺桁架腿為研究對象，通過ANSYS有限元分析軟件對其進行了靜強度分析。以等效應力作為參數(shù)敏感性分析的性能指標，綜合考慮了可變載荷、桁架腿間距、弦桿距離及水深等因素對樁腿性能指標的影響，進行了參數(shù)敏感性分析。對保證樁腿結構的安全性及樁腿結構優(yōu)化具有重要意義，為自升式平臺桁架式樁腿設計提供參考依據(jù)。

關鍵字：自升式海洋平臺 桁架式 ANSYS 參數(shù)敏感性

中圖分類號： TU323.4 文獻標識碼： A 文章編號：

1 緒論

作為海洋油氣勘探開發(fā)的重要裝備，自升式平臺是目前發(fā)展最為迅速、應用最為廣泛的移動式平臺，主要由平臺主體、樁腿、升降系統(tǒng)、作業(yè)裝置等組成。平臺在工作時利用升降系統(tǒng)將平臺主體舉升到海面以上，免受波浪沖擊，依靠樁腿的支撐站立在海底進行作業(yè)。完成任務后，平臺主體下降到海面，拔起樁腿并將其升至拖航位置，即可拖航到下一個井位作業(yè)。

樁腿是自升式鉆井平臺的關鍵構件，有柱體式和桁架式兩大類。柱體式樁腿由鋼板焊接成封閉式結構，其斷面有圓柱形和方箱形兩種，一般用于作業(yè)水深60m以下的自升式平臺。水深加大，波浪載荷更大，結構重量增大，宜采用桁架式樁腿。它由弦桿、水平撐桿和斜撐桿組成，在弦桿上裝有齒條。樁腿可按地質條件需要設置樁靴，樁靴的平面形狀有圓形、方形和多邊形幾種。與殼體式樁腿相比，桁架腿不僅重量輕，而且可以有效降低波浪力作用，從而降低平臺結構的位移和應力響應，是一種較為理想的樁腿型式。平臺工作水深變化較大，樁腿結構柔性較大，在波浪等環(huán)境載荷的作用下會產(chǎn)生較大位移、應力響應。本文以自升式平臺桁架腿為研究對象，通過ANSYS有限元分析軟件，對其進行了靜強度分析及性能參數(shù)敏感性分析。

2桁架式自升式平臺樁腿腿強度分析

2.1 桁架腿結構

桁架腿的主要作用是支撐平臺在海上作業(yè)，并將平臺所受的載荷傳遞給海底地基。桁架腿是鏤空式結構，由弦桿（含齒條）、水平撐桿及斜撐桿組成，截面形狀多為三角形，桁架腿下部一般連接有樁靴或樁腳箱，通過它們坐在海底，如圖1所示。

圖1 桁架式樁腿示意圖

桁架式樁腿型式有很多種，主要差別在于撐桿支撐形式的不同。常見的撐桿形式主要有三種：第一種是K型，這種型式比較傳統(tǒng)，應用廣泛，F(xiàn)riede & Goldman公司設計的Super M2系列自升式平臺即采用此種型式。第二種是X型，這種型式結構簡單，只設X型斜撐桿和水平內撐，而沒有水平撐桿。GustoMSC公司設計的MSC CJ-70系列平臺即采用X型撐桿桿。第三種是inv-K型，它采用兩個K型對接的型式，減少了水平撐桿的設置。Friede & Goldman公司設計的JU2000E新型平臺即采用此種型式。由于篇幅限制，本文以最為常見的K型桁架腿結構建模。

2.2 參數(shù)化建模

ANSYS軟件的標準分析過程包括：建立分析模型并施加邊界條件、求解計算和結果分析三個步驟。對于一個復雜工程結構而言，對模型進行手動修改將十分困難。為此，ANSYS軟件提供了一種以命令流方式進行分析的功能，即ANSYS參數(shù)化設計語言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)。利用APDL的程序語言與宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后處理結果數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。桁架腿分析過程中涉及到的弦桿、水平撐桿、水平內撐桿、斜撐、波浪、海流、深水等一系列參數(shù)，都可以用變量參數(shù)來表示，只要改變這些變量參數(shù)的賦值就能獲得不同的設計方案的分析過程，大幅度提高分析效率。

2.3 模型抽象及簡化

為了正確反映平臺主要部分之間的相互作用，本文中采用一個完整的空間模型來表達整個船體結構。由于本文主要著眼于桁架腿的分析，模型對平臺結構進行了簡化。平臺主體簡化為一剛性空間結構，其主要尺寸與船體實際結構近似，去除了對桁架腿計算沒有影響的構件，使桁架腿傳遞垂直力和水平力更直接明了。

桁架腿通過樁靴（或樁腳箱）與地基之間相互作用，桁架腿底端實際上既不是完全剛接，也不是鉸接，而是介于兩者之間的彈性支承，可根據(jù)插樁深度和桁架腿尺度確定。因自升式平臺樁腿一般插入土中不深，按照規(guī)范中的規(guī)定，取海底以下3m處鉸支計算。環(huán)境載荷中的波浪載荷和流載荷以及樁腿自重由ANSYS自動施加。

2.4 計算算例

(1) 計算參數(shù)

計算參數(shù)如表1所示。

表1

(2) 靜力計算及結果分析

環(huán)境載荷橫向、縱向和斜向作用時，樁腿等效應力計算結果如表2所示

表2

由于樁腿結構弦管采用ASTM A514（屈服強度609MPa），根據(jù)規(guī)范計算其許用應力為487Mpa，最大應力都沒有超過許用應力范圍。當波流斜向入射時，樁腿的應力最大，因此斜向入射工況為危險工況，是結構的控制工況。由以上計算結果可知，桁架腿構件強度滿足要求，并有較大的儲備，對其參數(shù)敏感性分析是可行且必要的。

3自升式平臺樁腿性能參數(shù)敏感性分析

3.1 主要性能指標

最大應力分析目的是確保樁腿結構的強度足以支持最大設計載荷。在使最大應力保持在許用應力以下的同時，通過要求樁腿支持最大設計載荷，可實現(xiàn)這一目的。限制的目的是防止發(fā)生結構失效。因此，本文研究考慮把樁腿結構的等效應力作為樁腿分析的控制指標。

3.2 主要影響參數(shù)

由于海洋環(huán)境載荷的復雜性，影響樁腿性能的參數(shù)有很多。為了充分研究各個因素對于樁腿性能的貢獻，選取了可能影響樁腿性能的主要因素進行樁腿參數(shù)敏感性分析，分別為水深、海流、可變載荷、桁架腿間距、弦桿距離等因素。

(1) 海流

對于海流，如果海流按流剖面的形狀進行分類可以分為三角形流剖面、梯形流剖面和矩形流剖面。前兩者統(tǒng)稱為剪切流，后者稱為一致流。本文以三角型流剖面作為假想的流剖面，并以海面處流速作為海流參數(shù)。

(2) 平臺載荷

平臺的固定載荷包括結構自重和設備載荷。平臺可變載荷是指那些可以被消耗的、易于移動的、數(shù)量視工況不同而變化的重量，如各液艙的配載、平臺作業(yè)時相關載荷、直升機降落對平臺的沖擊載荷、甲板吊機載荷、其他生活供應設備等。不同工況下平臺可變載荷變化最大，因此本文以可變載荷作為敏感性分析參數(shù)。

(3) 其他參數(shù)

其他參數(shù)較多包括水深、樁腿間距、弦桿距離、節(jié)距、弦桿、外徑壁厚（弦桿、水平橫撐、水平內撐、斜撐），這些參數(shù)對樁腿結構強度影響較大，本文選取水深、弦桿距離、樁腿間距都作為敏感性分析的參數(shù)。

3.3 樁腿性能敏感性分析算例參數(shù)

(1) 桁架腿基本數(shù)據(jù)

桁架腿材料密度：7850 kg/m3;

桁架腿材料彈性模量：206.8Gpa

(2) 環(huán)境載荷數(shù)據(jù)

海水密度：1025 kg/m3

海流流速：0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s

(3) 水深范圍

90m、105m、120m、135m

(4) 可變載荷

3500t、4000t、4500t、5000t

(5)樁腿間距

35m、40m、45m、50m、55m

(6) 桁架腿幾何尺寸

弦桿距離：10m、11.5m、13m、14.5m

節(jié)距：3m

弦桿：Φ381mm×32mm

水平橫撐桿：Φ219×22mm

水平內撐桿：Φ168×11mm

斜撐桿：Φ219×22mm

3.4參數(shù)敏感性分析

在不同影響參數(shù)變化的情況下桁架腿的弦桿、水平撐桿、水平內撐桿和斜撐桿的最大應力變化如圖2所示。

(a) 弦桿最大應力變化 (b)水平撐桿最大應力變化

(c) 水平內撐桿最大應力變化 (d) 斜撐桿最大應力變化

圖2 不同影響參數(shù)對桁架腿各結構的影響

從上圖中可以看出，海流的變化對樁腿的強度影響最為靈敏，其次是水深、可變載荷和樁腿間距，弦桿距離對桁架腿樁腿強度影響較小。樁腿結構中，弦桿對桁架腿強度貢獻最大，水平橫撐桿及水平內撐桿對樁腿強度的貢獻相對較小，這是因為弦桿是樁腿結構中主要豎向構建承受著平臺主體自重并承受著來自水平方向的環(huán)境載荷。

4結論

(1) 通過參數(shù)敏感性分析表明，弦桿對桁架腿強度貢獻最大，水平橫撐桿及水平內撐桿對樁腿強度的貢獻相對較小，樁腿設計時要著重考慮弦桿的設計。

(2) 基于參數(shù)化建模方法所建立的簡化模型是基本合理的。其一次建模后，通過參數(shù)調整實現(xiàn)多個工況，多種結構幾何尺寸重復計算，能有效提高計算效率，減少了重復建模的時間，具有實際工程意義。

參考文獻

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