自升式平臺(tái)樁腿的模型試驗(yàn)及數(shù)值仿真研究

胡　剛， 顧海英， 楊曉丹， 施興華

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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自升式平臺(tái)樁腿的模型試驗(yàn)及數(shù)值仿真研究

胡剛， 顧海英， 楊曉丹， 施興華

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要自升式海洋平臺(tái)作為目前的主流裝備，越來(lái)越受到行業(yè)的關(guān)注。樁腿作為其主要的受力構(gòu)件，其強(qiáng)度直接關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法探討桁架式自升式海洋平臺(tái)樁腿的力學(xué)性能。其載荷形式主要模擬風(fēng)浪流對(duì)于結(jié)構(gòu)的橫向作用。最后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，表明豎向立管是其主要受力構(gòu)件，且制造誤差對(duì)于結(jié)果的影響較大。

關(guān)鍵詞自升式平臺(tái)樁腿桁架式模型試驗(yàn)數(shù)值仿真

0引言

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)資源的開(kāi)發(fā)需求也越來(lái)越大，不斷增加的海洋勘探開(kāi)發(fā)工作水深，不斷增大的工作范圍，昔日主流的坐底式平臺(tái)已無(wú)法滿足工程人員需要，這使得自升式平臺(tái)加快了發(fā)展的腳步。自升式平臺(tái)由一個(gè)駁船形船體，以及數(shù)個(gè)帶升降功能的樁腿組成。帶升降功能的樁腿作用就是將平臺(tái)提升到作業(yè)人員所要求的距離海面的指定高度，使得整個(gè)平臺(tái)可以在海上順利完成作業(yè)。它不僅可以升降樁腿，還可以升降平臺(tái)。樁腿作為其主要的受力構(gòu)件，其承載能力的研究對(duì)于平臺(tái)的安全性非常重要。

目前，自升式平臺(tái)的樁腿主要有兩種形式[1]：(1) 圓柱型。主要針對(duì)淺水，并采用插銷式升降系統(tǒng)，改型樁腿受力均勻。當(dāng)自升式平臺(tái)用于深水作業(yè)(超過(guò)60 m)時(shí)，圓柱型樁腿的重量和成本急劇增加。(2) 桁架型?？捎糜谏钏?，力學(xué)性能相對(duì)復(fù)雜，且建造工藝要求很高。關(guān)于自升式平臺(tái)的研究目前主要集中于整體強(qiáng)度、升降機(jī)構(gòu)等方面：田夢(mèng)[1]等開(kāi)展了550英尺自升式鉆井平臺(tái)總體設(shè)計(jì)研究，主要說(shuō)明了自升式平臺(tái)船體、樁腿、樁靴以及升降機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；諶宗琦等[2]開(kāi)展了航行工況下自升式風(fēng)電安裝船的直接強(qiáng)度計(jì)算；許靖等[3]采用SACS軟件開(kāi)展了自升式平臺(tái)桁架式樁腿的疲勞強(qiáng)度分析；汪怡等[4]進(jìn)行了自升式鉆井平臺(tái)鉆臺(tái)強(qiáng)度的分析；孫景海等[5]開(kāi)展了平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究；孫亞楠等[6]針對(duì)樁靴強(qiáng)度開(kāi)展了直接強(qiáng)度分析。關(guān)于樁腿強(qiáng)度以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)方面相對(duì)較少。本文將以樁腿為研究對(duì)象，通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真，開(kāi)展其力學(xué)性能研究。

1模型試驗(yàn)

1.1模型描述

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆锻纫罁?jù)某型自升式平臺(tái)依照一定的縮尺比進(jìn)行設(shè)計(jì)。樁腿模型高85 cm，水平截面為邊長(zhǎng)29 cm的等邊三角形。模型有三個(gè)主支柱(在等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處)，這三根圓管半徑為3 cm，材料厚度為0.3 cm。模型側(cè)面的桁架結(jié)構(gòu)材料為半徑1.5 cm，材料厚度為0.15 cm的圓管，如圖1所示。圖2為真實(shí)模型圖。

受力點(diǎn)選定為三個(gè)主圓管中任意一個(gè)圓管其高40 cm處，如圖1所示。

圖1　樁腿模型示意圖

1.2加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

具體的加載裝置及測(cè)量點(diǎn)如圖3 所示。通過(guò)測(cè)量主要受力構(gòu)件(如立管)、受力復(fù)雜構(gòu)件(如縱橫交錯(cuò)的橫撐)的應(yīng)變來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

1.3試驗(yàn)步驟

圖2　真實(shí)模型圖

(1) 把電阻應(yīng)變儀與應(yīng)變片用導(dǎo)線連接好，應(yīng)變儀調(diào)零。

圖3　加載示意及應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置

(2) 試樣測(cè)量。每次試驗(yàn)前，試樣應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)、試樣受力點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的尺寸數(shù)據(jù)都要測(cè)量并做好記錄。

(3) 分級(jí)加載。試件布置好后，根據(jù)事先設(shè)計(jì)的外力加載范圍(加載小于120 kg)，使用加載裝置逐級(jí)加力，盡量保證加載間隔(20 kg為一間隔)，并記錄應(yīng)變儀讀數(shù)。

(4) 數(shù)據(jù)記錄。逐步加載至試件，記錄加載外力及對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

(5) 變形記錄。在一定外載荷變化間隔時(shí)使用相機(jī)獲得試件幾何形狀，最后獲得在加載過(guò)程中試件的變形過(guò)程。

(6) 逐級(jí)卸載，并記錄應(yīng)變儀讀數(shù)。

(7) 試驗(yàn)加載、卸載重復(fù)兩次。

1.4試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)逐級(jí)加載，最終獲得各級(jí)加載下的各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變情況，如表1所示。通過(guò)換算，得到各級(jí)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力情況，如表2所示。

表1　各級(jí)荷載下的應(yīng)變

表2　各級(jí)載荷下的應(yīng)力

2數(shù)值仿真驗(yàn)證

2.1數(shù)值模型

采用通用有限元軟件ANSYS[7]，建立如圖4所示的有限元模型，開(kāi)展樁腿力學(xué)性能的仿真研究。該過(guò)程與模型試驗(yàn)相同，通過(guò)逐級(jí)加載，獲得其應(yīng)力情況。

2.2有限元分析結(jié)果

根據(jù)有限元分析結(jié)果，由每一級(jí)載荷施加時(shí)的截圖可知，產(chǎn)生最大應(yīng)力的點(diǎn)，是模型試驗(yàn)中產(chǎn)生最大應(yīng)力的1號(hào)測(cè)點(diǎn)。1號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變程度是最大的，其次是8號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，而8號(hào)測(cè)點(diǎn)的位置是在11號(hào)測(cè)點(diǎn)所在同一根桁架的附近位置，2號(hào)測(cè)點(diǎn)則是在與8號(hào)測(cè)點(diǎn)的關(guān)于載荷相對(duì)稱的大概位置上。有限元應(yīng)力云圖如圖5所示。從有限元分析可知，1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)所在的兩根桁架，是樁腿受到載荷時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變最多的。1號(hào)測(cè)點(diǎn)的有限元分析結(jié)果如表3所示。

圖4　數(shù)值仿真模型

圖5　桁架式樁腿應(yīng)力云圖

載荷20kg40kg60kg80kg100kg120kg應(yīng)力/MPa5.313.419.223.631.235.4

3模型試驗(yàn)與有限元分析對(duì)比

模型試驗(yàn)的結(jié)果已在表1和表2中給出，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，應(yīng)力較為集中的點(diǎn)，有第1，2，6，7，8等5個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中表現(xiàn)最明顯的，是1號(hào)測(cè)點(diǎn)，在施加載荷達(dá)到最大值120 kg時(shí)，其應(yīng)力達(dá)到了36.4 MPa，約為同一時(shí)刻6號(hào)測(cè)點(diǎn)(應(yīng)力值第二大的測(cè)點(diǎn))應(yīng)力值的三倍。除此之外，有幾個(gè)測(cè)點(diǎn)，如第3，4，9號(hào)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值都顯得較小。

在有限元分析中，由每一級(jí)載荷施加時(shí)的截圖可知，產(chǎn)生最大應(yīng)力的點(diǎn)是模型試驗(yàn)中產(chǎn)生最大應(yīng)力的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，其次是8號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)，而8號(hào)測(cè)點(diǎn)的位置是在11號(hào)測(cè)點(diǎn)所在同一根桁架的附近位置，2號(hào)測(cè)點(diǎn)則是在與8號(hào)測(cè)點(diǎn)的關(guān)于載荷相對(duì)稱的大概位置上。從有限元分析可知，11號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)所在的兩根桁架，是樁腿受到載荷時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變最多的。

4誤差分析

從兩方面的對(duì)比來(lái)看，模型試驗(yàn)與有限元分析出來(lái)的結(jié)果相差不多。以有限元分析中應(yīng)力最大的1號(hào)測(cè)點(diǎn)來(lái)看，誤差分析如表4所示。

表4　1號(hào)測(cè)點(diǎn)誤差分析

從表4可知，兩方面的誤差較大，下面對(duì)產(chǎn)生較大誤差的原因進(jìn)行分析。

第一，設(shè)備誤差。電子儀器隨著使用年限的增加，必然會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生越來(lái)越明顯。

第二，模型自身工藝導(dǎo)致誤差。在有限元分析里，模型是理想的，在模型的建立中每一步都沒(méi)有瑕疵，而在實(shí)際生產(chǎn)中，建造一個(gè)樁腿模型，會(huì)受到太多工藝的限制。

5結(jié)論

本文以桁架式自升式平臺(tái)樁腿為研究對(duì)象，開(kāi)展了樁腿在橫向載荷(模擬風(fēng)浪流作用)下力學(xué)性能的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論。

(1) 自升式平臺(tái)樁腿的最大受力點(diǎn)靠近樁靴的立管上，這在模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬中均可獲得；但橫撐的受力條件復(fù)雜，應(yīng)力也相對(duì)較大。

(2) 桁架式樁腿的強(qiáng)度受制造工藝的影響較大，這在模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果中可知。

參考文獻(xiàn)

[1]田夢(mèng). 500英尺自升式鉆井平臺(tái)總體設(shè)計(jì)研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2013.

[2]諶宗琦，朱翔，唐永生，等.航行工況下自升式風(fēng)車安裝船強(qiáng)度的直接計(jì)算[J]. 船舶工程, 2014, 36(Z1)：231-234.

[3]許靖，郝金鳳，丁君海，等.自升平臺(tái)桁架式樁腿疲勞分析[J]. 船舶工程, 2014, 36(Z1)：174-177.

[4]汪怡，于小偉，黃曌宇.自升式平臺(tái)鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J]. 船舶工程, 2013, 35(Z2)：75-76.

[5]孫景海. 自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2010.

[6]孫亞楠. 自升式海洋平臺(tái)樁靴強(qiáng)度分析[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2013.

[7]ANSYS. Structural Analysis Guide, Release 12.0[S]. ANSYS Inc，2009.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51509113)；江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(CJ1306，CJ1403)。

作者簡(jiǎn)介：胡剛(1968-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

中圖分類號(hào)P75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

The Model Test and Numerical Simulation for Legs of Jack-up Platform

HU Gang, GU Hai-ying, YANG Xiao-dan， SHI Xing-hua

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

AbstractAs the main equipment of the current mainstream, the jack-up platform is getting more and more attention in the industry. Leg is the main bearing member and the strength of leg is directly related to the stability of the whole structure. The mechanical performance of the jack-up platform is discussed by the model test and numerical simulation. The main form is mainly to simulate the lateral action of wind, waves and current in the structure. Lastly, the experimental results are compared with the numerical simulation. It is indicated that the vertical pipe is the main bearing component and the manufacturing error has a greater impact on the results.

KeywordsJack-up platform legTruss typeModel testNumerical simulation