半潛平臺(tái)總體強(qiáng)度分析及方案改造研究

郭勤靜，陳書(shū)敏，徐勤花，時(shí) 磊

(煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司研發(fā)部，山東 煙臺(tái) 264000)

隨著全球海洋勘探和開(kāi)發(fā)向深海海域發(fā)展，半潛式海洋平臺(tái)以其自身的明顯優(yōu)勢(shì)逐漸成為深海油氣開(kāi)發(fā)的主要工具。半潛式海洋平臺(tái)具有造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承受載荷多樣、工況組合復(fù)雜以及設(shè)計(jì)技術(shù)難度高等特點(diǎn)［1］，因此半潛式海洋平臺(tái)的前期設(shè)計(jì)即基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成為半潛式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)內(nèi)容。不僅要考慮設(shè)計(jì)的技術(shù)可靠性，同時(shí)需要兼顧設(shè)計(jì)周期、效率及生產(chǎn)建造條件等。

對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)初期常采用簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行總體強(qiáng)度分析［2］，利用空間剛架粱模擬平臺(tái)的各個(gè)模塊并賦予適當(dāng)?shù)慕孛鎸傩詠?lái)快速地初步評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)載荷的響應(yīng)。觀察整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的總體應(yīng)力分布情況，根據(jù)各處應(yīng)力程度不同采取相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化空間大。在設(shè)計(jì)的中期和后期，則采用梁和板殼混合模型進(jìn)行具體的強(qiáng)度分析，一般設(shè)計(jì)到了這個(gè)階段時(shí)，設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化的空間相對(duì)減小。對(duì)于虛擬的整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的過(guò)程如此循環(huán)往復(fù)，直到最終得到較為合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。基于這種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的思想，采用板梁模型完成一型半潛式起重生活平臺(tái)的總體強(qiáng)度分析，并采用剛架梁模擬實(shí)際的管支撐結(jié)構(gòu)完成結(jié)構(gòu)改造方案的總體強(qiáng)度快速評(píng)估，從而確定合理的結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)行詳細(xì)的總體分析計(jì)算。

1 半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度分析

1.1 半潛式起重生活平臺(tái)簡(jiǎn)介

表1 平臺(tái)主要參數(shù)Tab.1 Primary parameters of platform

該型平臺(tái)是煙臺(tái)中集來(lái)福士自主研發(fā)設(shè)計(jì)并建造的起重能力達(dá)1 100 t 的半潛式起重和生活居住平臺(tái)，普遍用于水上大型設(shè)備的安裝和打撈，能夠?yàn)槠渌@井平臺(tái)提供住宿、大型模塊吊裝及多功能貨物儲(chǔ)運(yùn)等服務(wù)。滿足溫和海況如西非等海況時(shí)所設(shè)計(jì)的平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)主要有下船體、橫撐、立柱和上船體構(gòu)成，橫撐結(jié)構(gòu)剖面為圓管型，分布在首尾部。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

1.2 半潛式平臺(tái)總體強(qiáng)度評(píng)估

1.2.1 平臺(tái)所受載荷及計(jì)算方法

作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的各種載荷可分為:永久載荷、可變載荷、環(huán)境載荷、意外載荷和變形載荷等［2］。通常情況下，在對(duì)平臺(tái)進(jìn)行總體強(qiáng)度評(píng)估時(shí)只考慮永久載荷和環(huán)境載荷［3］。永久載荷總體上包括結(jié)構(gòu)自身重量、設(shè)備和壓載艙打壓載重量等等，可以從重量報(bào)告中獲取數(shù)據(jù)。環(huán)境載荷主要包括由于波浪和流產(chǎn)生的水動(dòng)力荷載、慣性力、風(fēng)載荷以及雪冰等。因波浪、流、風(fēng)和海水等是影響平臺(tái)正常工作的主要環(huán)境條件，波浪載荷是所有環(huán)境載荷中對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)影響最為顯著的。通常選擇百年一遇的波浪來(lái)進(jìn)行波浪載荷分析，采用設(shè)計(jì)波法完成波浪載荷的分析計(jì)算，根據(jù)船級(jí)社規(guī)范考慮了如下特征載荷:平臺(tái)中縱剖面的縱向剪力、橫向分離力、橫向分離力矩、縱向扭矩，中橫剖面的垂向彎矩以及甲板中心處三個(gè)方向的加速度載荷。根據(jù)各特征載荷最大值所處浪向確定設(shè)計(jì)波浪向，根據(jù)特征載荷響應(yīng)算子峰值確定設(shè)計(jì)波周期和相位等特征要素，整體海況改變以后的具體設(shè)計(jì)波的情況如表2 所示。

表2 風(fēng)暴自存工況下的典型設(shè)計(jì)波Tab.2 Typical design wave of survival condition

1.2.2 總體有限元模型及計(jì)算

采用有限元分析軟件ABAQUS［4-5］多人協(xié)作建模的方法建立平臺(tái)總體有限元板梁組合模型如圖1 所示。在總體有限元模型中經(jīng)過(guò)加載(主要是永久載荷)、調(diào)平(由于模型簡(jiǎn)化帶來(lái)的質(zhì)量分布不均衡)并計(jì)算總體質(zhì)量矩陣，同時(shí)在總體有限元模型中提取濕表面模型如圖2 所示。注意濕表面法向的一致性，根據(jù)濕表面模型，水動(dòng)力采用設(shè)計(jì)波法計(jì)算平臺(tái)所受的波浪載荷即主要環(huán)境載荷。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的邊界加載方式，即3-2-1 的邊界加載方式［2］，針對(duì)不同的工況進(jìn)行加載計(jì)算并完成總體強(qiáng)度的分析計(jì)算校核。

圖1 半潛平臺(tái)總體有限元模型Fig.1 Global FE model of platform

圖2 半潛平臺(tái)濕表面模型Fig.2 Water-surface model of platform

1.2.3 總體屈服屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

平臺(tái)總體強(qiáng)度分析主要包括總體屈服強(qiáng)度、總體屈曲強(qiáng)度和總體疲勞強(qiáng)度分析，其實(shí)際計(jì)算過(guò)程主要是通過(guò)船級(jí)社專(zhuān)業(yè)的計(jì)算包或者公司自身利用程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的后處理程序批量處理計(jì)算完成整個(gè)后處理計(jì)算校核。此處主要針對(duì)板殼結(jié)構(gòu)，列舉總體屈服屈曲強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則如下:

1)總體屈服強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

式中:(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t為總體單元應(yīng)力分量;σe為Von-Mises Stress。σf代表材料許用屈服應(yīng)力(355 MPa)，組合工況下安全系數(shù)取值1.11，許用屈服應(yīng)力校核:

σe≤σf/1.11 = 355 MPa/1.11 = 320 MPa

2)總體屈曲強(qiáng)度校核準(zhǔn)則

過(guò)往的海洋工程實(shí)踐表明，對(duì)于以板格為屈曲校核對(duì)象時(shí)，極限強(qiáng)度狀態(tài)下是必須要校核的，并且在極限強(qiáng)度滿足的情況下，一定的屈曲是允許的。極限強(qiáng)度狀態(tài):

式中:σUx，σUy，σUxy分別代表板格縱向、橫向單軸向力下的極限強(qiáng)度、邊緣剪切下的極限強(qiáng)度;φ 為強(qiáng)度作用系數(shù);η 為最大的許用強(qiáng)度利用系數(shù)。

2 平臺(tái)方案改造研究

2.1 平臺(tái)方案改造及方法

初始設(shè)計(jì)時(shí)鑒于對(duì)平臺(tái)服務(wù)海域要求比較溫和，主要是渤海、西非等海況，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)完成后的整體結(jié)構(gòu)(如圖1)的總體強(qiáng)度基本滿足船級(jí)社規(guī)范要求，進(jìn)行了總裝模塊化建造。隨著后期全球市場(chǎng)的變化及半潛海洋平臺(tái)的快速發(fā)展，對(duì)半潛平臺(tái)的功能和工作海域要求越來(lái)越高，亟需在短時(shí)間內(nèi)對(duì)該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行升級(jí)改造?？紤]平臺(tái)受荷載情況，對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)添加支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，支撐結(jié)構(gòu)添加方案的總體強(qiáng)度評(píng)估有兩種方法:方法一可以在原來(lái)的總體模型創(chuàng)建后如圖1 所示，對(duì)應(yīng)每一種改造方案補(bǔ)充創(chuàng)建撐管的詳細(xì)的總體有限元模型，根據(jù)1.2.2 中介紹的總體強(qiáng)度計(jì)算方法，分別完成各個(gè)方案的總體強(qiáng)度校核并比較結(jié)果。方法二可以采用在原來(lái)方案總體板殼模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建剛架梁模型來(lái)模擬撐管，完成各個(gè)方案總體強(qiáng)度的評(píng)估并比較結(jié)果。由于方法一的每一種方案都需人力進(jìn)行模型創(chuàng)建和后續(xù)處理，工時(shí)周期較長(zhǎng)，此處選擇方法二來(lái)快速完成各方案的評(píng)估。

2.2 改造方案結(jié)果對(duì)比分析

初始方案在工作海況等升級(jí)后，強(qiáng)度不滿足的部位主要是各個(gè)連接處，通過(guò)分析動(dòng)態(tài)結(jié)果，平臺(tái)對(duì)三個(gè)方向的扭矩特別是縱向扭矩，平臺(tái)剛度不足以抵抗扭矩的作用。在進(jìn)行剛架梁優(yōu)化時(shí)，對(duì)于桿(殼)單元主要是基于經(jīng)典的梁彎曲理論［6］，空間桿單元的桿件除了可能承受軸力和彎矩的作用外，還可能承受扭矩的作用，而且彎矩可能同時(shí)在兩個(gè)坐標(biāo)面內(nèi)存在。而采用剛架梁模擬簡(jiǎn)化方法來(lái)快速評(píng)估正是利用了剛架梁的這種受力特點(diǎn)。結(jié)合本半潛平臺(tái)的實(shí)際情況，試驗(yàn)了多種添加剛架梁組合的方案。這里主要列出兩種組合方案如圖3 和圖4 所示，兩種方案都在同側(cè)立柱之間增加對(duì)角斜撐管，并且同時(shí)在首尾部甲板底部中間位置連接到左右舷立柱底部的八字斜支撐管，下船體中所不同的是方案一采用兩個(gè)交叉管支撐結(jié)構(gòu)分別連接中部立柱和首部立柱，而方案二則采用一個(gè)大交叉支撐管結(jié)構(gòu)分別連接首尾立柱之間，并在中部?jī)蓚€(gè)小立柱之間添加一個(gè)輔助支撐管連接。為保證撐桿梁元端部的節(jié)點(diǎn)與板殼模型節(jié)點(diǎn)連接以使端力和彎矩正確傳遞到主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)區(qū)的實(shí)際連接范圍，在操作有限元分析軟件ABAQUS 時(shí)，一定要保證梁元端部節(jié)點(diǎn)與板殼模型中艙壁交叉處的節(jié)點(diǎn)重合并合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)方案總體分析結(jié)果如圖5 所示，主要位置板的屈服應(yīng)力情況對(duì)比如表3 所示。

圖3 方案一Fig.3 Project 1

圖4 方案二Fig.4 Project 2

從試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)來(lái)看，兩個(gè)方案所有同側(cè)立柱之間的剛架梁所引起的應(yīng)力敏感程度較小，說(shuō)明此處平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題，不需添加支撐結(jié)構(gòu)。對(duì)于首尾甲板以下增加的斜撐，由于甲板載荷和甲板上各模塊重量的作用，兩種方案的應(yīng)力程度近似而且也比較敏感，確定需要添加此處的斜撐。從兩個(gè)方案在四個(gè)主立柱上產(chǎn)生的應(yīng)力敏感程度比較來(lái)看，兩個(gè)方案在外殼上基本一致，而在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，方案二的應(yīng)力反應(yīng)更為敏感。對(duì)于中部小立柱，兩個(gè)方案在內(nèi)部基本相同，方案一在外殼上的應(yīng)力反應(yīng)敏感程度明顯較大。

表3 兩種方案下主要位置板的屈服應(yīng)力情況對(duì)比Tab.3 Plate yielding stress comparison of two projects

從兩個(gè)方案自身的結(jié)構(gòu)及應(yīng)力傳遞特點(diǎn)來(lái)看，方案一水平交叉結(jié)構(gòu)每一個(gè)支撐管都是主管，都有效抵抗平臺(tái)扭矩的作用，缺點(diǎn)就是出現(xiàn)了兩個(gè)交叉點(diǎn)的同時(shí)，中部?jī)蓚€(gè)小立柱承受了較大的傳遞力，導(dǎo)致此處強(qiáng)度很差而且很難加強(qiáng)。而方案二的水平交叉結(jié)構(gòu)則是兩個(gè)斜撐管為主管，通過(guò)中間交叉點(diǎn)，將平臺(tái)抵抗扭矩的力有效轉(zhuǎn)移到首尾的四個(gè)主立柱上，提高了主立柱材料利用率，避免中部小立柱的破壞，同時(shí)采用的連接兩個(gè)中間小立柱的撐管對(duì)支撐結(jié)構(gòu)有一定的平衡作用。

從兩個(gè)撐桿方案的總體穩(wěn)定性要求來(lái)看，根據(jù)材料力學(xué)歐拉公式［7］計(jì)算撐桿的臨界歐拉應(yīng)力，從有限元分析結(jié)果中讀取靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)果中撐桿的軸向應(yīng)力，并求和得撐桿實(shí)際軸向應(yīng)力，與臨界歐拉應(yīng)力對(duì)比后驗(yàn)證兩種方案中撐桿的總體壓桿穩(wěn)定性都滿足要求。

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及支撐結(jié)構(gòu)自身力系傳遞特點(diǎn)以及撐桿穩(wěn)定性校核結(jié)果，選擇方案二作為最后的結(jié)構(gòu)改造方案。

圖5 總體強(qiáng)度分析評(píng)估結(jié)果Fig.5 Global yielding result

3 改造方案結(jié)果詳細(xì)分析

創(chuàng)建新方案的有限元模型，將空間剛架梁模型與原來(lái)的半潛平臺(tái)有限元總體模型合并為最新的總體模型如圖6 所示。對(duì)新方案模型，相關(guān)專(zhuān)業(yè)如穩(wěn)性，系泊等進(jìn)行了評(píng)估分析計(jì)算，改造后的新方案滿足穩(wěn)性、系泊方面的要求。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析方面，有兩個(gè)關(guān)鍵位置需要細(xì)化處理設(shè)計(jì)。第一個(gè)是水平交叉支撐點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮管節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題，對(duì)此處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及疲勞子模型譜分析計(jì)算;第二個(gè)是各個(gè)支撐管與主體結(jié)構(gòu)的連接處，支撐管與DECKBOX 連接及中部橫撐與中間兩個(gè)小立柱之間采用圓管配合魚(yú)尾板插入連接形式，其它部分采用天圓地方即馬蹄形的過(guò)渡形式配合十字交叉板與主體結(jié)構(gòu)連接，并進(jìn)行疲勞子模型譜分析計(jì)算。按照1.2 中總體強(qiáng)度分析的流程完成新方案的總體強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖6 所示，主要結(jié)構(gòu)板殼區(qū)域的結(jié)果及利用率如表4 所示。根據(jù)ABS 規(guī)范［8］編制屈服屈曲簡(jiǎn)化疲勞強(qiáng)度后處理程序，計(jì)算結(jié)果表明平臺(tái)板殼屈服屈曲強(qiáng)度基本滿足總體強(qiáng)度要求，平臺(tái)的stiffener，girder 也滿足規(guī)范的屈曲強(qiáng)度要求。對(duì)于簡(jiǎn)化疲勞計(jì)算后的結(jié)果，考慮疲勞應(yīng)力集中區(qū)域主要集中在幾個(gè)連接處，后續(xù)進(jìn)行連接處的疲勞子模型譜分析計(jì)算，滿足疲勞強(qiáng)度要求。最后完成該方案的所有送審報(bào)告并通過(guò)船級(jí)社審核后，最新建造的平臺(tái)實(shí)體如圖7 所示。

表4 方案改造后主要區(qū)域屈服屈曲校核結(jié)果Tab.4 Yielding and buckling result of reconstruction project

圖6 新方案的總體分析結(jié)果云圖Fig.6 Global yielding resulFWD STBD view

圖7 實(shí)際建造的平臺(tái)Fig.7 Platform constructed

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)有限元軟件ABAQUS 對(duì)半潛起重生活平臺(tái)進(jìn)行總體屈服屈曲強(qiáng)度分析。采用空間剛架梁模擬實(shí)際支撐管系，快速地評(píng)估各個(gè)改造方案的總體強(qiáng)度情況，通過(guò)船級(jí)社審核后實(shí)施總裝建造，該方法有利于快速地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的改造優(yōu)化，為業(yè)內(nèi)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和改造提供重要的工程參考。結(jié)果表明:

1)采用有限元分析軟件對(duì)半潛平臺(tái)進(jìn)行總體屈服屈曲強(qiáng)度分析方法正確，結(jié)果合理，平臺(tái)結(jié)構(gòu)總體屈服屈曲強(qiáng)度滿足船級(jí)社的要求;

2)空間剛架梁模擬實(shí)際管系支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行各個(gè)改造方案的總體強(qiáng)度分析是可行的，符合規(guī)范提出的設(shè)計(jì)思路，并且剛架梁的總體壓桿穩(wěn)定性滿足要求;

3)方案中下船體交叉管系結(jié)構(gòu)通過(guò)特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊接方式，有效地滿足了管節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度問(wèn)題，而對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度分析需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

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