风暴状态下自升式平台结构强度分析
  
作者：李晓宇1，冯国庆2，于昊，孙宇，张楷弘   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:16:42

摘  要：自升式平台作为典型的海洋工程结构物，它由船体、桩腿、升降机构以及一系列钻井设备组成，由于恶劣的工作环境、复杂的结构。如何对其进行风暴状态下的结构强度分析显得尤为重要了。本文以某油气回收自升式平台为例，采用有限元分析方法，基于ABS自升式平台结构规范，考虑平台工作载荷、风浪流环境载荷、效应等，应用MSC.Patran/Nastran软件对平台的桩腿及主体结构进行了强度评估。通过分析表明：平台主船体满足屈服屈曲强度要求，桩腿满足整体及局部屈曲强度要求，而高应力发生在桩腿与平台主体连接处。由此，连接部位是平台设计、强度评估需重点关注的。

关键词：自升式平台；强度分析；有限元方法；设计载荷

1　引言

自升式平台占海上移动平台数量的2/3以上，极限状态下的强度分析是平台设计阶段很重要的内容，风暴自存是自升式平台作业的危险工况，承受严酷的海洋环境载荷，属于平台设计的强度控制状态。由此，对于风暴状态平台船体和桩腿的强度分析，受到平台试验部门的高度关注[1]。

在平台强度分析中，如何合理的建立结构的力学模型，使计算模型能够模拟出实际结构的工作状态，精确计算平台所受的载荷，对自升式平台极限工况下的结构安全性进行有限元分析，对研究自升式平台就显得至关重要了。

2　平台有限元模型

2.1 自升式平台参数

本平台为插销式液压升降的四桩腿自升式平台，平台主要由平台主体、油气工艺处理系统、桩腿及液压升降系统等组成。平台主体为空间箱形结构，主要参数见下表1。

表1 平台主要参数

图1  某油气回收自升式平台总布置图及桩腿编号

2.2　有限元模型建立

2.2.1　建模方法及原则

基于自升式平台各构件受力及传力特性，在用有限元软件对其建模分析时，对其有限元模型作一些合理的假定，并最大程度地保证简化后的有限元模型质量，刚度的不变性以及边界条件的合理性，本文主要分析自升式平台风暴状态的强度，重点关注区域是桩腿与平台主体连接处的强度[2]，采取梁单元模拟的桩腿结构。平台主船体采用空间板梁组合结构来模拟。有限元模型由于经过一定的简化，模型重量、重心与实际平台存在较大差距，根据总布置及平台配载情况，通过添加集中质量采用MPC关联结构的方法，调整平台的重量、重心，平台有限元模型如图1所示。

2.2.2　平台桩腿

平台的桩腿为圆柱型壳体结构，桩腿内部设有T型断面的环肋以及纵骨加强，沿桩身每米设有四个方向的销孔。桩腿采用等效简化的梁单元模拟，即结合桩腿复杂结构，按据质量及刚度等效的原则，确定桩腿梁的属性参数，并对板梁组合桩腿及简化梁模型进行加载对比，验证桩腿简化梁的等效可行性。

桩腿与平台主船体通过上环梁、齿条板、升降室及插销连接在一起，使用自由度耦合的方式来模拟桩腿与平台主体的卡紧连接，如图3。

桩腿与海底处的边界约束依据ABS平台规范处理为泥面以下3m处铰支，这种处理方法对于结构设计来说是偏于保守的。实际上海底基础对于桩腿是具有转动约束作用的，这种约束将使桩腿下端承受弯矩，从而使桩腿与船体连接处的弯矩值减少[3]。

3　自升式平台分析工况及设计载荷确定

3.1　强度分析工况

选择对平台结构最不利的环境条件和极限作业条件的组合载荷作为极限工况[4]，即风、浪、流在同一方向上作用于平台，并计入效应等载荷的工况。确定5个浪向计算波浪载荷，分别是：0o、45o、90o、120o及150o，对于每个入射角，波浪分别选取0、30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、330共12个相位角，以便确定载荷的极限状态，为便于说明，将工况的命名如下：LC015B045P060，其中LC015为组合序号，B045为计算浪向，P060为计算相位角。

3.2　平台的固定

风暴状态时的静载荷为适应自存状态的平台重量、固定装置、供应品和压载重量等。

3.3　环境载荷

3.3.1　平台环境参数的确定

本平台选取的计算状态为50年一遇的风暴自存设计环境条件，海洋工程中所要考虑的海洋环境参数包括：地形地质、水深、风、波浪、海流、海潮、海冰和地震等[5]。根据作业海域的海况，可以不考虑海冰和地震载荷，根据该平台《基本设计说明书》其环境参数如表2。

表2　风暴状态下平台环境参数

3.3.2　风载荷

风载荷是自升式平台环境载荷的重要组成成分，对风暴状态下的风速取设计风速51.5m/s（100kn），根据ABS规范计算风压P：

P＝0.613×10-3V2  kPa

式中：V—设计风速，m/s。

作用于构件上的风力F应按下式计算：

F＝ChCsSPkN

式中：P—风压，kPa；

S—平台在正浮或倾斜状态时，受风杆件的正投影面积，m2；

Ch—暴露在风中杆件的高度系数；

Cs—暴露在风中杆件的形状系数。

依据规范选取形状系数和高度系数，分别计算在不同风向下的投影面积，风力大小和风力作用高度。然后求得不同风向的风压及构件所受风力计算结果见表3。

表3 风载荷计算表

平台主体部分的风载荷通过施加单元压力的方法来加载，桩腿所受风力转化为线载荷进行加载。

3.3.3　波浪载荷与海流载荷

波浪理论选取Stokes五阶波, 应用莫里森公式进行计算，记及海流载荷的柱体的波浪载荷计算公式[6]为：

式中：—拖曳力系数；—惯性力系数。

应用哈尔滨工程大学船舶与海洋工程力学研究所开发的水动力计算软件WALCS计算桩腿的波浪载荷，计算不同浪向及相位角时桩腿各单元节点处的波浪载荷，采用Patran Command Language(PCL)进行莫里森力的加载。 

图4  桩腿波浪载荷加载（以浪向150°为例）

3.4　效应

平台发生变形后，使桩腿产生侧向位移，因而桩腿受到附加二次弯矩作用：；等效二次力：，为泥面至船体半高的垂直高度，作用点为船体型深半高位置，计算时选取0°和90°的各一个工况为例，等效力方向分别为0°和90°。

表4  二次弯矩及等效力计算表（以LC004B000P090为例）

4　平台风暴状态强度分析

4.1　屈服强度评估

屈服强度评估是分析平台在风暴状态自存工况下结构抵抗塑性破坏的能力，平台屈服强度的评估准则：

式中：

——工作应力，从计算结果中提取；

——许用应力；

 ——结构材料的危险应力，取材料的屈服极限。

——安全系数，根据载荷工况和变形特征确定，当用轴向等效应力标准对梁单元进行屈服强度评估时，组合工况取1.25。

表5 平台屈服强度应力计算表（单位：MPa）

对平台整体各构件及桩腿进行分析得到，其屈服强度评估的高应力，主要发生在桩腿与船体连接的位置，而其工作应力均在许用应力范围内，所以整个平台是满足屈服强度要求的。

4.2　屈曲强度评估

屈曲强度是分析平台在风暴状态下的稳定性，桩腿是很长的柔性构件，所以桩腿的整体稳定性是平台安全性的重要方面。依据《规范》先对平台桩腿进行了整体屈曲强度评估，然后对桩腿独立构件的局部屈曲进行分析。

4.2.1　平台桩腿整体屈曲评估

受压杆件的整体屈曲临界应力σcr按下式计算：

σcr=     

受压杆件的整体屈曲安全系数Su按下式计算，对于组合工况：

Su＝   

式中：σE－欧拉应力； －相对长细比，＝。

屈曲失效准则规定的许用临界屈曲应力，构件的屈曲强度安全系数组合工况取1.25，从而=284.0MPa

表6　桩腿整体屈曲强度计算表

由上表可知：169.3Mpa，所以，平台桩腿整体屈曲满足稳定性要求。

4.2.2　桩腿局部屈曲稳定性评估

对于，且的圆柱壳，其局部临界屈曲应力应取下列各式计算结果的小者：

1）弹性屈曲：

，D—圆柱壳名义直径；t—圆柱壳壁厚。

2）非弹性屈曲：

按以上式子可知：＝＝242.7MPa，所以，平台桩腿满足局部屈曲稳定性的要求。

4.2.3　压弯组合构件稳定性评估

根据规范同时承受轴向压缩和弯曲组合作用的构件，其计算应力应满足：时，，等式左边称为UC值，UC值的大小可做为压弯组合杆件满意足强度要求的重要依据，即需满足UC

对之前取的受应力最大的两单元应力进行校核，按照压缩－弯曲组合作用公式计算得两个单元的UC值如表7：

表7　压弯组合构件屈曲强度校核表

所以，可以看出，自升式平台的强度满足规范对平台强度的要求。

5　结论

研究了平台有限元模型建立的几个重要环节，包括选取建立平台—桩腿有限元模型的单元类型、重量重心调整及配载过程、桩腿与平台之间的连接方式及桩腿底部边界条件的处理等，建立了平台与桩腿合理的耦合有限元模型。

选取非线性斯托克斯五阶波浪理论，对平台风暴状态的强度分析结果表明：平台整体及桩腿均满足屈服强度，高应力发生在桩腿与平台连接处，而桩腿与海底相交处应力也较大，这些部位是强度评估需重点关注的。对桩腿进行的整体及局部屈曲分析结果表明：桩腿的整体屈曲强度是平台安全的重要保证，局部结构的屈曲强度也是必须考虑的。

参考文献

[1] 欧进萍、段中东、肖仪清，海洋平台结构安全评定：理论、方法与应用[M]，北京：科学出版社，2003，1~12.

[2] 赵晶瑞. 自升式平台风暴自存状态桩腿动静强度分析[D].天津大学硕士学位论文,2007.

[3] Schotman G J M. The effects of displacements on the stability of jack-up spud can founfations[A], OTC. 1989.

[4] 李润培,王志农.海洋平台强度分析[M].上海交通大学出版社,1992.

[5] 吴思, 刘瑞华. 海洋工程环境条件选择的考虑和作法.[R]. 第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集, 2009.

[6] 刘英杰.自升式平台桩腿的受力分析[D].哈尔滨工程大学,2004.

Strength Assessment of Jack-Up Platform in Survival Conditions

LI Xiao-yu，FENG Guo-qing，YU Hao，SUN-Yu，ZHANG-Kaihong

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract: As a typical marine structures, Jack-Up Platform is composed of main hull, legs, jacking system and a pack of drilling equipment. It’s very important to analyze the structural strength as its special structural complexity and tough envionment. On the basis of ABS Guide For Buckling And Ultimate Strength Assessment For Offshore Structures, considering working load, environmental load and the P-Δ effect etc.,the hull and legs strength of a CNG Jack-Up Platform were assessed with Finite Element using Method MSC.Patran/Nastran. The analysis results showed that: the platform could meet the yielding strength requirement, the connection part between legs and hull were high stress area; The legs could also meet the general and local buckling strength. Designing structures and assessing strength, more attention should be given to the connection part.

Key words: Jack-up platform; Strength assessment; FEM; Design load