海洋平臺極限強度分析的有限元方法

蘭海臣　王建濤　顧瞿飛

摘要：勘探、開采海洋石油要應用大型海洋石油平臺。海洋平臺設計制造過程中的極限強度分析是重要內(nèi)容，欲得到準確的分析結果必須采用正確的分析方法和手段。文章采用某一平臺算例，利用大型有限元分析軟件建立模型，在規(guī)范要求的環(huán)境組合下進行極限強度分析，得出計算結果，可以為平臺設計制造做指導。

關鍵詞：海洋平臺；極限強度；有限元；石油勘探；石油開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2017）10-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.006

1 概述

能源是人類社會發(fā)展的物質基礎。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油的需求量日益提高，同時陸地石油不斷減少，海洋石油開發(fā)成為熱點。平臺工作水深不斷增加，傳統(tǒng)海洋平臺運動性能和定位方式難以滿足要求。固定式平臺因自重和造價等因素也不能適應深海環(huán)境，所以研發(fā)新型的適應深海的浮式海洋平臺。分析、設計、制造能適應多種水深、多種工作環(huán)境的海洋平臺十分必要。近年來國內(nèi)外學者對平臺的設計研究較多，而對平臺的結構強度及可靠性分析不夠，而且多數(shù)研究僅限于簡單板、加筋板或固定式平臺結構，對平臺結構的復雜的節(jié)點結構、關鍵的橫撐構件等極限強度研究不夠。

本文將利用船體有限元分析方法，根據(jù)相關資料采用大型通用有限元軟件對平臺的整體結構進行有限元模擬，按照結構的實際情況確定有限元網(wǎng)格的規(guī)模和單元的類型，建立結構有限元模型。

2 環(huán)境載荷

對于工作地點在大海中的海洋石油平臺經(jīng)受的外界環(huán)境載荷主要包括風、波浪、海流、冰以及地震海嘯等，本文主要考慮風、波浪和海流三大主要環(huán)境載荷。

2.1 風載荷

海洋結構物設計過程中，風載荷對穩(wěn)性、定位系統(tǒng)和局部結構強度等的影響必須考慮。目前工程界對脈動風的描述，一般有穩(wěn)定部分和變動部分。海工界經(jīng)常使用的是NPD譜和API譜。

2.2 海流載荷

海流存在于距離海平面的一定深度，因此對于水下構件以及海底構件會產(chǎn)生力的作用，同時影響著平臺方位的選擇以及船舶靠岸等。

潮汐流和風浪流是海流兩種類型，前者是由于天體運動形成的引潮力引起的，后者是由于氣象、水文等因素引起的。余流的主要組成部分是風海流。

對于海洋平臺所受的風和流載荷，通常是通過風動試驗來取得其載荷的大小。

2.3 波浪載荷

海洋結構物在波浪作用下產(chǎn)生的作用效應有：（1）拖曳力作用，這是由于流體不是理想流體而引起的粘滯效應；（2）慣性力作用，這是由于附加質量效應引起的；（3）散射效應，由于入射波受到結構物阻礙引起的；（4）自由表面效應。

結構物界面的特征尺寸和波長是影響波浪載荷對于結構物作用的重要影響因素。當兩者之比小于等于0.2時，主要考慮附加質量效應和粘滯效應；當二者之比大于0.2時，主要考慮繞射效應、附加質量效應和粘滯效應。其計算原理也有所不同，Morison方程用于前種情況下的波浪力計算，三維勢流理論用于后者波浪力的計算。

根據(jù)工作經(jīng)驗以及相應船級社規(guī)范規(guī)定，最主要關心的平臺波浪載荷的六個力。它們分別是：浮箱間平臺撕裂力（Split force between pontoons）：FS；縱向剪切力（Longitudinal shear force between the pontoons）：FL；橫向水平軸的扭矩（Torsion moment about a transverse horizontal axis）：Mt；甲板位置的縱向加速度（Longitudinal acceleration of deck mass）：aL；甲板位置的橫向加速度（Transverse acceleration of deck mass）：aT；甲板位置的垂向加速度（Vertical acceleration of deck mass）：aV。

由于大量的鉆井和起重等設備與平臺甲板可變載荷集中在甲板箱上，而且甲板上質量的加速度會在甲板箱與立柱，立柱與浮箱之間的剪力以及相應的彎矩，所以甲板箱上質量的慣性力是平臺總體結構強度和局部強度校核的重要載荷之一。

3 算例模型

3.1 平臺模型

本文運用有限元分析軟件進行建模，模型中運用板單元和梁單元來模擬平臺的主要結構。運用Compartment和Equipment單元來模擬平臺的壓載水，其中部分平臺質量以及平臺的調平是通過Equipment單元來實現(xiàn)。對平臺的水動力進行分析，本算例平臺的三維結構模型布置的主要尺寸參數(shù)如下：浮箱長90米，浮箱寬15.2米，浮箱高7.6米，雙浮箱外板間距71米，主甲板高度36.5米，甲板箱高度30.5米，大立柱直徑10.6米，小立柱直徑9.7米，工作吃水19.81米，自存吃水15.24米，拖航吃水9米。有限元模型包括面元模型和Morison模型，其中面元模型運用繞射理論來求解，Morison模型是運用Morison方程來求解。由于面元模型與Morison模型在浮箱與橫撐部分重疊，為了不影響到模型總的排水體積，并能夠正確地運用Morison模型來修正平臺的粘性阻尼，把Morison模型尺寸進行了縮小100倍，而拖曳力系數(shù)進行相應放大。

3.2 環(huán)境模型

自存工況（Ultimate Limit States，ULS）是指平臺能夠承受的最大環(huán)境載荷。對于自存工況環(huán)境組合應不少于百年一遇環(huán)境條件。根據(jù)挪威船級社DNV-OS-C101規(guī)范中的規(guī)定，自存工況包含下面不同環(huán)境條件的組合。

本文根據(jù)DNVGL-OS-C103 Structureal design of column stabilised units–LRFD method中的規(guī)定，平臺的極限強度分析（Ultimate Limit States，ULS）中載荷系數(shù)為兩種工況組合ULS-a與ULS-b應該進行考慮，其中ULS-a側重于考慮平臺的靜載，而ULS-b側重考慮了平臺的環(huán)境載荷。

對于結構屈服強度校核時，ULS工況下結構的材料系數(shù)取1.15。對于屈曲強度校核與螺栓連接的材料系數(shù)以及焊接處的材料系數(shù)在ULS工況下，見相關的規(guī)范。

進行模擬分析平臺運動響應時，半潛式平臺與錨泊系統(tǒng)之間的耦合作用也需要進行考慮，這是目前工程界公認的做法。

4 結語及展望

極限載荷校核是根據(jù)DNV相關規(guī)范執(zhí)行的。如圖可以看出除了熱點及有限元引起的局部應力奇異，整體等效應力都在許用應力范圍內(nèi)。高應力區(qū)主要集中在月池附近的梁和主甲板上。

圖1和圖2是從軟件中掃描出的最大等效應力。ULS_b的應力結果偏大，故以ULS-b情況為主。

通過對海洋平臺極限強度的建模分析，根據(jù)計算結果可以看出浮箱結構的等效應力都在許用應力的范圍內(nèi)，除了局部的硬點外平臺的總體結構強度能夠滿足規(guī)范要求，針對結構硬點可以再進行細化分析。

文中研究內(nèi)容與成果對半潛式平臺結構設計具有重要參考價值，對工程項目具有很好的指導作用。

參考文獻

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基金項目：南通航運職業(yè)技術學院2015年科技類青年專項課題“基于ANSYS的張力腿平臺建模及總體強度分析”（項目編號：HYKJ/2015QN02）。

作者簡介：蘭海臣（1983-），男，遼寧撫順人，南通航運職業(yè)技術學院航海系講師，碩士，研究方向：船舶與海洋工程。

（責任編輯：黃銀芳）