基于Solidworks的自升式鉆井平臺(tái)升降基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建造流程仿真

藍(lán)巨滔+李家林

摘 要：自升式鉆井平臺(tái)升降基礎(chǔ)分段的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜且空間緊密，板材厚，全部為全焊透結(jié)構(gòu)，建造難度大。本文利用Solidworks軟件對(duì)升降基礎(chǔ)分段的各個(gè)零部件進(jìn)行建模，根據(jù)建造流程策劃對(duì)升降基礎(chǔ)分段進(jìn)行虛擬裝配，并通過(guò)制作動(dòng)畫(huà)對(duì)建造流程進(jìn)行仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)流程進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)化建造流程，提前預(yù)知建造過(guò)程的難點(diǎn)，制定合理施工步驟，確保升降基礎(chǔ)分段的建造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺(tái)；升降基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；Solidworks軟件；建模；建造流程仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U671.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The structure of gear unit support foundation on the Jack up drilling unit is complex， the inside space is very small， the plates of gear unit support foundation are relatively thick and the well seams are full penetration welded， therefore it is very difficult to complete the structures construction. In this paper， the structures 3D modeling is established with the 3D CAD software olidworks， the virtual assembly for gear unit support foundation block is completed and the animation is made to carry on the simulation analysis of the whole construction process. Through the analysis， the most optimized construction process is obtained to visually describe the whole construction process， guide site construction and to ensure the construction quality of the structure.

Key words： Jack up drilling unit； Structure of Gear Unit Support Foundation； Software Solidworks； Modeling； Construction Process simulation

1 前言

升降基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是自升式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是升降裝置和縮緊裝置的載體，為樁腿升降提供導(dǎo)向，起到連接樁腿和主船體的作用。基于它的特殊用途，其板材多為高強(qiáng)度厚板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式緊密。升降基礎(chǔ)分段的建造是整個(gè)平臺(tái)建造的難點(diǎn)和關(guān)鍵，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行建造流程策劃。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，單純的根據(jù)二維圖紙對(duì)建造流程進(jìn)行策劃難度很大，而且也容易出錯(cuò)。另外，雖然通過(guò)CAD繪圖方法能將二維再轉(zhuǎn)成三維，可以直觀地觀察升降基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但由于不能進(jìn)行仿真，故容易犯同樣的錯(cuò)誤。

本文以R-550D自升式鉆井平臺(tái)的升降基礎(chǔ)為載體，采用簡(jiǎn)單便捷的三維建模方法對(duì)升降基礎(chǔ)分段的各個(gè)零部件進(jìn)行建模，利用其仿真功能校驗(yàn)初步策劃的建造流程，對(duì)可行的流程進(jìn)行優(yōu)化，從而確定最優(yōu)化的建造流程，通過(guò)三維視圖等軸的形式，直觀地描述整個(gè)建造流程，指導(dǎo)建造實(shí)施。

2 升降基礎(chǔ)分段建模

2.1 仿真要求下solidworks建模的原則

要對(duì)升降基礎(chǔ)分段的建造進(jìn)行仿真，首先需要在Solidworks軟件內(nèi)建立升降基礎(chǔ)分段的模型。在Solidworks軟件內(nèi)，建模對(duì)象分為零件與裝配體。零件是最基本的模型單元，裝配體由多個(gè)零件組成，單個(gè)零件不能單獨(dú)移動(dòng)，單獨(dú)移動(dòng)的操作對(duì)象僅為裝配體。升降基礎(chǔ)分段的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件繁多，考慮到仿真的需要，在建立模型時(shí)每個(gè)零件應(yīng)作為單獨(dú)的裝配體進(jìn)行建模，以實(shí)現(xiàn)仿真時(shí)的獨(dú)立移動(dòng)。

2.2 升降基礎(chǔ)分段的建模

R-550D自升式鉆井平臺(tái)升降基礎(chǔ)分為下基礎(chǔ)分段和上基礎(chǔ)分段，下基礎(chǔ)分段結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，上基礎(chǔ)分段結(jié)構(gòu)形式緊密且復(fù)雜，仿真的對(duì)象重點(diǎn)在于上基礎(chǔ)分段。

在初步策劃升降基礎(chǔ)分段建造流程時(shí)，下基礎(chǔ)分段分成下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、下箱形結(jié)構(gòu)、中間導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和上箱型結(jié)構(gòu)四個(gè)中組件進(jìn)行建造；上基礎(chǔ)分段分成鎖緊裝置區(qū)域結(jié)構(gòu)、齒輪箱和上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)三個(gè)中組件進(jìn)行建造。根據(jù)以上策劃，在建模時(shí)下基礎(chǔ)分段分成四部分建模仿真，上基礎(chǔ)分段分成三部分建模仿真，通過(guò)Solidworks軟件建立的下基礎(chǔ)分段和上基礎(chǔ)分段如圖1、圖2所示。

對(duì)狹窄區(qū)域的結(jié)構(gòu)，需要開(kāi)設(shè)作業(yè)工藝孔以滿足施工的要求，因此工藝孔的位置也應(yīng)在建模的過(guò)程中體現(xiàn)在模型內(nèi)，以檢查工藝孔的設(shè)置是否合理。

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的上基礎(chǔ)分段，各中組件的模型如圖3、圖4、圖5所示。

3 建造流程仿真

3.1 Solidworks仿真的原理

在Solidworks軟件中，對(duì)于已建立的模型可以通過(guò)設(shè)置爆炸視圖和建立運(yùn)動(dòng)算例來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。通過(guò)爆炸視圖的功能，按照策劃的建造流程的各個(gè)步驟，逐步反推每個(gè)裝配體（即各個(gè)零件）的發(fā)散順序，合理設(shè)置每個(gè)裝配體的移動(dòng)距離，使整個(gè)模型發(fā)散變成由裝配體組成的狀態(tài)，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)算例，使各個(gè)裝配體按照設(shè)想的順序逐一組裝在一起，從而實(shí)現(xiàn)仿真，檢查建造流程中各個(gè)組裝步驟的正確與否進(jìn)而優(yōu)化。

3.2下基礎(chǔ)的仿真endprint

在下基礎(chǔ)分段內(nèi)，較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)為下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和中間導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，其空間狹小且完工后密閉，需要對(duì)建造流程進(jìn)行模擬仿真。

對(duì)于下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在組件建造過(guò)程中是單面開(kāi)口的箱型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部被5檔豎隔板分隔，考慮到該結(jié)構(gòu)在安裝到平臺(tái)上后會(huì)形成密閉空間，對(duì)于該結(jié)構(gòu)的建造流程仿真，主要是考慮建造流程是否對(duì)焊接順序、施工空間、建造精度及方便性有利。基于以上要求，在4檔豎隔板上設(shè)置工藝孔，先安裝豎隔板于水平封板上，然后安裝四周的圍壁板。

對(duì)于中間導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，是全封閉的箱型結(jié)構(gòu)，相對(duì)于下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在部件建造階段增加了一塊水平封板，其建造流程與下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)差別不大。

3.3 上基礎(chǔ)的仿真

上基礎(chǔ)分段的三個(gè)中組件均為復(fù)雜緊密結(jié)構(gòu)，對(duì)施工順序有嚴(yán)密的要求，需要通過(guò)仿真動(dòng)畫(huà)對(duì)建造流程的每一步進(jìn)行反復(fù)的論證，找出可能導(dǎo)致無(wú)法施工的位置，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整確定適合現(xiàn)場(chǎng)施工的建造流程。

齒輪箱結(jié)構(gòu)是整個(gè)升降基礎(chǔ)最復(fù)雜的部分，與其他位置的結(jié)構(gòu)不同，齒輪箱結(jié)構(gòu)在相同的高度空間內(nèi)分成了兩層空間，后壁板與中壁板之間形成了一個(gè)高度僅為431 mm的全密閉空間，而且該空間內(nèi)存在大量的焊接工作，如果建造順序不合理會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)法焊接的位置，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度無(wú)法滿足要求，故而齒輪箱結(jié)構(gòu)的建造流程仿真過(guò)程是：將齒輪箱結(jié)構(gòu)合理的分解成各個(gè)裝配體，必要時(shí)可增加結(jié)構(gòu)焊縫，以優(yōu)先滿足該狹小密閉空間的焊接要求。初步確定以齒輪箱后壁板為基面，先確定加強(qiáng)筋、方套、肘板等易于焊接的其他裝配體的發(fā)散順序，再按照可焊接的順序，依次調(diào)整后壁板與中壁板之間的各個(gè)結(jié)構(gòu)的發(fā)散順序，然后通過(guò)算例進(jìn)行動(dòng)畫(huà)組合，找出不合理的順序再進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，如此反復(fù)，得出最合理的建造流程，以保證完成該狹小密閉空間內(nèi)的焊接工作。

鎖緊裝置區(qū)域結(jié)構(gòu)，在安裝鎖緊裝置位置處的跨度尺寸較大，容易產(chǎn)生各種變形，在與齒輪箱結(jié)構(gòu)相接處位置也存在狹小空間，不利于焊接施工，對(duì)建造流程的要求主要是便于精度控制，滿足狹小空間施工。基于以上要求，在該結(jié)構(gòu)的建造流程仿真中重點(diǎn)對(duì)鎖緊裝置安裝位置的結(jié)構(gòu)及狹小空間的結(jié)構(gòu)處的建造流程進(jìn)行檢驗(yàn)，以后壁板為基面，先確定狹小空間處封板的裝配順序，再確定前壁板及左右壁板的裝配順序，最后確定各水平橫檔結(jié)構(gòu)的裝配順序。

對(duì)于上導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在組件建造過(guò)程中也是單面開(kāi)口的箱型結(jié)構(gòu)，與齒輪箱大組立后也會(huì)形成密閉空間，其建造流程與下導(dǎo)向結(jié)構(gòu)差別不大。

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，相應(yīng)調(diào)整需要優(yōu)化的步驟，形成最優(yōu)化的建造流程，然后根據(jù)建造流程逐步制定相應(yīng)的建造工藝，通過(guò)三維視圖直觀地表達(dá)每一個(gè)建造步驟，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。在實(shí)際施工過(guò)程中，仿真分析得出的建造流程為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了指引，保障了升降基礎(chǔ)分段建造的順利開(kāi)展。圖6為上基礎(chǔ)分段結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真分析了升降基礎(chǔ)分段建造流程中每個(gè)步驟的正確性，制定合理的施工步驟，有效解決狹小空間內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配與焊接問(wèn)題，從而為升降基礎(chǔ)分段的建造實(shí)施提供了有效保障。仿真分析可以有效解決船舶及海工產(chǎn)品建造過(guò)程中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建造流程問(wèn)題，在自升式鉆井平臺(tái)的生產(chǎn)中已經(jīng)得到應(yīng)用，在以后的工作中我們將在原有成果的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善改進(jìn)。endprint