自升式服務平臺樁靴結構優(yōu)化設計

劉玉坤

（交通運輸部 煙臺打撈局，山東 煙臺 264012）

自升式服務平臺樁靴結構優(yōu)化設計

劉玉坤

（交通運輸部 煙臺打撈局，山東 煙臺 264012）

樁靴作為自升式平臺的重要結構之一，在整個平臺的就位和作業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。針對350 ft自升式多功能服務平臺的2種樁靴結構形式，應用MSC Patran和Nastran建立有限元模型，依據(jù)美國船級社相關規(guī)范對不同工況下2種不同形式樁靴的強度進行評估，并分別對2種樁靴的質(zhì)量進行統(tǒng)計。對計算結果進行分析比較，并提出一些可行性建議。

自升式；生活平臺；樁靴

0 引 言

隨著海洋石油開發(fā)過程日趨完善，導管架及固定平臺建造、平臺設施檢修和油田增產(chǎn)等海上作業(yè)愈發(fā)重要。由于完成這些作業(yè)均需多功能服務平臺的支持，因此多功能服務平臺具有廣闊的市場前景[1]。

樁靴是自升式海洋平臺的重要組成部分，其結構的可靠性對保證平臺穩(wěn)定具有決定性作用[2]。由此，針對在某海域350 ft（1 ft≈0.3048m）水深作業(yè)的自升式多功能服務平臺，對2種不同形式的樁靴進行強度計算和優(yōu)化。由于該平臺入級美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS），因此依據(jù)ABS相關規(guī)范對2種結構形式的樁靴進行強度校核與對比分析，得出較優(yōu)的樁靴結構。

1 樁靴型式概述

2 有限元模型

該平臺樁靴采用的材料主要為ABS-AH36和ABS-DH36，其中：板厚<19mm的材料采用ABS-AH36；板厚>19mm的材料采用ABS-DH36。這2種鋼材的屈服強度 ss=355MPa，彈性模量 E= 2.06′ 105，泊松比m=0.3，質(zhì)量密度 r= 7.85′ 10-9t/mm3，許用應力 s =319.8MPa，細網(wǎng)格(50′50)402.9MPa。根據(jù)

aABS相關規(guī)范，組合載荷安全系數(shù)為1.11。

該平臺設計的樁靴運用MSC Patran和Nastran軟件進行建模，樁靴結構中所有的板殼、艙壁和樁腿連接處肘板均用4節(jié)點板單元進行模擬，所有的加強筋、扶強材及T型材面板均用2節(jié)點梁單元進行模擬，并考慮偏心。2種樁靴的有限元模型見圖2和圖3。

3 設計工況

根據(jù)ABS相關規(guī)范，針對2種樁靴分別計算以下3種工況：

1) 預壓工況。考慮到樁靴從接觸海底表面到完全貫入的過程中，其受力面積應從樁靴最小接觸面積逐漸變化到最大投影面積，為保證樁靴作業(yè)過程的安全，選取風暴或作業(yè)狀況下的最大垂向支反力作為預壓載力，并考慮1.08的安全系數(shù)。

2) 偏心工況?？紤]到樁靴可能受到底部不確定因素的影響，樁靴及樁靴與樁腿的連接處所能承受的最大預壓力均勻分布在50%的樁靴最大投影面積上。

3) 正常作業(yè)和風暴自存工況。為在風暴來臨時保證整個平臺的穩(wěn)定和安全，樁靴設計強度應能承受風暴情況下的最大水平力、支反力和下導軌處最大彎矩值的35%[3]。

具體預壓力及載荷見表1，工況統(tǒng)計見表2。

對于智能船舶分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡平臺而言，合理的數(shù)據(jù)預處理不僅能提高船舶數(shù)據(jù)的存儲量，而且能較大地提高數(shù)據(jù)的利用效率。例如智能能效管理，由于能效管理數(shù)據(jù)模型影響因子的復雜性，直接對相關原始數(shù)據(jù)進行提取和管理不僅會耗費數(shù)據(jù)庫管理資源,而且會大大降低能效管理方案的可靠性。因此，合理的數(shù)據(jù)預處理也是智能船舶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡平臺必不可少的環(huán)節(jié)，將其與分布式數(shù)據(jù)庫相結合,共同助力智能船舶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡管理平臺的高效發(fā)展。

表1 預壓力及載荷

表2 工況統(tǒng)計

4 邊界條件

為模擬平臺在預壓、偏心和風暴工況下的邊界條件，取樁靴頂部以上樁腿3m處施加簡支邊界條件，即

5 強度分析

通過MSC Patran和Nastran建模、計算和求解，得到2種樁靴在不同設計工況下的應力分布及質(zhì)量統(tǒng)計（見表3）。由表3可知，2種樁靴的強度均滿足標準要求，且應力強度相當。

表3 應力分布及質(zhì)量統(tǒng)計

通過對上述2種結構形式樁靴的強度和結構質(zhì)量進行比較，得出以下結論：

1) 2種樁靴應力較大的工況均為LC04，因此樁靴中間部分的結構在設計時應予以特別加強。

2) 偏心工況時對樁靴與樁腿連接處的大肘板強度的要求較高，此處應適當加強。此外，方案a方形樁靴在樁靴與樁腿連接的大肘板處易發(fā)生應力集中，導致局部應力值過大；方案b圓形樁靴應力分布比較均勻。圖4和圖5分別給出LC04工況（即應力最大的偏心工況）下樁靴內(nèi)部應力分布及大肘板處應力分布。

3) 方案b圓形樁靴的整體質(zhì)量相比方案a小19 t左右，因此從結構有效性方面看，方案b的圓形樁靴比較好。

4) 從施工工藝方面看，方案a方形樁靴比方案b圓形樁靴更易于施工。

6 板格屈曲分析

這里的“板格”系指除周界以外無任何骨材和加強構件的板材。用簡化的方法求解板格的屈曲，共分為以下3個步驟[4-5]：

1) 求解臨界屈曲應力，根據(jù)板格受力形式（如短邊受壓、長邊受壓及受剪力等）選擇相應的理論公式；

2) 對理想彈性屈曲應力進行塑性修正，根據(jù)板格在單軸應力作用下的x軸、y軸的臨界屈曲壓應力和臨界屈曲剪應力選擇合適的理論公式；

3) 將臨界屈曲應力與衡準相比較，結果<1則滿足規(guī)范要求。

圓形樁靴內(nèi)部結構呈發(fā)射狀，板格大小比方形樁靴更均勻。由分析結果可知，圓形樁靴的屈曲因子變化幅度小，反映出圓形樁靴結構相比方形樁靴結構受力更勻稱。分別選取2種類型樁靴上表面大小相似的2個板格，具體計算結果見表4。

表4 板格屈曲因子

7 結 語

由以上分析可知，在進行樁靴整體結構設計時，應適當考慮對樁靴中部以及樁腿與樁靴連接大肘板處進行加強，避免應力過度集中。此外，在選擇樁靴類型時，若考慮減小平臺整體質(zhì)量，則建議選擇圓形樁靴；若考慮要降低施工難度，則建議選擇方形樁靴。

[1] 胡安康，郭宇. 400 ft水深自升式平臺樁靴強度分析與優(yōu)化設計[J]. 船舶工程，2012 (6): 82-84.

[2] 唐文獻，秦文龍，張建，等. 自升式平臺樁靴結構優(yōu)化設計[J]. 中國造船，2013, 54 (3): 78-84.

[3] American Bureau of Shipping (ABS). Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2015.

[4] American Bureau of Shipping (ABS). Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structure[S]. 2014.

[5] 李兵，袁琪，吳曉源，等. 五萬噸級散貨船壓載水艙強度分析和板格屈曲計算[J]. 造船技術，2006 (1): 25-27.

Design Optim ization for the Spudcan Structure of Jack-up Service Platform

LIU Yu-kun
（Yantai Salvage Bureau of the M inistry of Transport, Yantai 264012, China）

Spudcan is one of the important structures of jack-up platform, which plays a vital role in the positioning and operation of the platform. Based on the two spudcan structures of the 350ft multi-function jack-up service platform the finite element models are established w ith MSC-PATRAN & NASTRAN to assess the strength of these two spudcan structures according to ABS regulations, where the weight of the two spudcan structures are also counted. Suggestions on the design optim ization are put forward after the calculation results are analyzed and compared.

jack-up; accommodation platform; spudcan

U674.381；TE951

A

2095-4069 (2017) 03-0023-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.005

2016-09-26

劉玉坤，男，高級工程師，1963年生。1985年畢業(yè)于武漢理工大學輪機管理專業(yè)，現(xiàn)從事設備管理和船舶建造工作。