半潛平臺總體強度分析及方案改造研究

郭勤靜，陳書敏，徐勤花，時 磊

(煙臺中集來福士海洋工程有限公司研發部，山東 煙臺 264000)

隨著全球海洋勘探和開發向深海海域發展，半潛式海洋平臺以其自身的明顯優勢逐漸成為深海油氣開發的主要工具。半潛式海洋平臺具有造價昂貴、結構復雜、承受載荷多樣、工況組合復雜以及設計技術難度高等特點［1］，因此半潛式海洋平臺的前期設計即基礎設計成為半潛式海洋平臺設計的重要技術內容。不僅要考慮設計的技術可靠性，同時需要兼顧設計周期、效率及生產建造條件等。

對于基礎設計來說，設計初期常采用簡化的模型進行總體強度分析［2］，利用空間剛架粱模擬平臺的各個模塊并賦予適當的截面屬性來快速地初步評估基礎設計的主要結構對設計載荷的響應。觀察整個平臺結構上的總體應力分布情況，根據各處應力程度不同采取相應的優化設計方式，設計修改及優化空間大。在設計的中期和后期，則采用梁和板殼混合模型進行具體的強度分析，一般設計到了這個階段時，設計修改及優化的空間相對減小。對于虛擬的整個基礎設計來說，設計的過程如此循環往復，直到最終得到較為合理的設計結果。基于這種基礎設計的思想，采用板梁模型完成一型半潛式起重生活平臺的總體強度分析，并采用剛架梁模擬實際的管支撐結構完成結構改造方案的總體強度快速評估，從而確定合理的結構方案并進行詳細的總體分析計算。

1 半潛式平臺總體強度分析

1.1 半潛式起重生活平臺簡介

表1 平臺主要參數Tab.1 Primary parameters of platform

該型平臺是煙臺中集來福士自主研發設計并建造的起重能力達1 100 t 的半潛式起重和生活居住平臺，普遍用于水上大型設備的安裝和打撈，能夠為其它鉆井平臺提供住宿、大型模塊吊裝及多功能貨物儲運等服務。滿足溫和海況如西非等海況時所設計的平臺主體結構主要有下船體、橫撐、立柱和上船體構成，橫撐結構剖面為圓管型，分布在首尾部。主要結構參數如表1 所示。

1.2 半潛式平臺總體強度評估

1.2.1 平臺所受載荷及計算方法

作用于平臺結構上的各種載荷可分為:永久載荷、可變載荷、環境載荷、意外載荷和變形載荷等［2］。通常情況下，在對平臺進行總體強度評估時只考慮永久載荷和環境載荷［3］。永久載荷總體上包括結構自身重量、設備和壓載艙打壓載重量等等，可以從重量報告中獲取數據。環境載荷主要包括由于波浪和流產生的水動力荷載、慣性力、風載荷以及雪冰等。因波浪、流、風和海水等是影響平臺正常工作的主要環境條件，波浪載荷是所有環境載荷中對平臺結構影響最為顯著的。通常選擇百年一遇的波浪來進行波浪載荷分析，采用設計波法完成波浪載荷的分析計算，根據船級社規范考慮了如下特征載荷:平臺中縱剖面的縱向剪力、橫向分離力、橫向分離力矩、縱向扭矩，中橫剖面的垂向彎矩以及甲板中心處三個方向的加速度載荷。根據各特征載荷最大值所處浪向確定設計波浪向，根據特征載荷響應算子峰值確定設計波周期和相位等特征要素，整體海況改變以后的具體設計波的情況如表2 所示。

表2 風暴自存工況下的典型設計波Tab.2 Typical design wave of survival condition

1.2.2 總體有限元模型及計算

采用有限元分析軟件ABAQUS［4-5］多人協作建模的方法建立平臺總體有限元板梁組合模型如圖1 所示。在總體有限元模型中經過加載(主要是永久載荷)、調平(由于模型簡化帶來的質量分布不均衡)并計算總體質量矩陣，同時在總體有限元模型中提取濕表面模型如圖2 所示。注意濕表面法向的一致性，根據濕表面模型，水動力采用設計波法計算平臺所受的波浪載荷即主要環境載荷。根據規范規定的邊界加載方式，即3-2-1 的邊界加載方式［2］，針對不同的工況進行加載計算并完成總體強度的分析計算校核。

圖1 半潛平臺總體有限元模型Fig.1 Global FE model of platform

圖2 半潛平臺濕表面模型Fig.2 Water-surface model of platform

1.2.3 總體屈服屈曲強度校核準則

平臺總體強度分析主要包括總體屈服強度、總體屈曲強度和總體疲勞強度分析，其實際計算過程主要是通過船級社專業的計算包或者公司自身利用程序語言開發的后處理程序批量處理計算完成整個后處理計算校核。此處主要針對板殼結構，列舉總體屈服屈曲強度校核的準則如下:

1)總體屈服強度校核準則

式中:(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t為總體單元應力分量;σe為Von-Mises Stress。σf代表材料許用屈服應力(355 MPa)，組合工況下安全系數取值1.11，許用屈服應力校核:

σe≤σf/1.11 = 355 MPa/1.11 = 320 MPa

2)總體屈曲強度校核準則

過往的海洋工程實踐表明，對于以板格為屈曲校核對象時，極限強度狀態下是必須要校核的，并且在極限強度滿足的情況下，一定的屈曲是允許的。極限強度狀態:

式中:σUx，σUy，σUxy分別代表板格縱向、橫向單軸向力下的極限強度、邊緣剪切下的極限強度;φ 為強度作用系數;η 為最大的許用強度利用系數。

2 平臺方案改造研究

2.1 平臺方案改造及方法

初始設計時鑒于對平臺服務海域要求比較溫和，主要是渤海、西非等海況，基礎設計完成后的整體結構(如圖1)的總體強度基本滿足船級社規范要求，進行了總裝模塊化建造。隨著后期全球市場的變化及半潛海洋平臺的快速發展，對半潛平臺的功能和工作海域要求越來越高，亟需在短時間內對該平臺的結構方案進行升級改造。考慮平臺受荷載情況，對平臺的結構添加支撐結構進行優化，支撐結構添加方案的總體強度評估有兩種方法:方法一可以在原來的總體模型創建后如圖1 所示，對應每一種改造方案補充創建撐管的詳細的總體有限元模型，根據1.2.2 中介紹的總體強度計算方法，分別完成各個方案的總體強度校核并比較結果。方法二可以采用在原來方案總體板殼模型的基礎上，創建剛架梁模型來模擬撐管，完成各個方案總體強度的評估并比較結果。由于方法一的每一種方案都需人力進行模型創建和后續處理，工時周期較長，此處選擇方法二來快速完成各方案的評估。

2.2 改造方案結果對比分析

初始方案在工作海況等升級后，強度不滿足的部位主要是各個連接處，通過分析動態結果，平臺對三個方向的扭矩特別是縱向扭矩，平臺剛度不足以抵抗扭矩的作用。在進行剛架梁優化時，對于桿(殼)單元主要是基于經典的梁彎曲理論［6］，空間桿單元的桿件除了可能承受軸力和彎矩的作用外，還可能承受扭矩的作用，而且彎矩可能同時在兩個坐標面內存在。而采用剛架梁模擬簡化方法來快速評估正是利用了剛架梁的這種受力特點。結合本半潛平臺的實際情況，試驗了多種添加剛架梁組合的方案。這里主要列出兩種組合方案如圖3 和圖4 所示，兩種方案都在同側立柱之間增加對角斜撐管，并且同時在首尾部甲板底部中間位置連接到左右舷立柱底部的八字斜支撐管，下船體中所不同的是方案一采用兩個交叉管支撐結構分別連接中部立柱和首部立柱，而方案二則采用一個大交叉支撐管結構分別連接首尾立柱之間，并在中部兩個小立柱之間添加一個輔助支撐管連接。為保證撐桿梁元端部的節點與板殼模型節點連接以使端力和彎矩正確傳遞到主結構節點區的實際連接范圍，在操作有限元分析軟件ABAQUS 時，一定要保證梁元端部節點與板殼模型中艙壁交叉處的節點重合并合并為一個節點，兩個方案總體分析結果如圖5 所示，主要位置板的屈服應力情況對比如表3 所示。

圖3 方案一Fig.3 Project 1

圖4 方案二Fig.4 Project 2

從試驗結果及數據來看，兩個方案所有同側立柱之間的剛架梁所引起的應力敏感程度較小，說明此處平臺主體結構強度沒有問題，不需添加支撐結構。對于首尾甲板以下增加的斜撐，由于甲板載荷和甲板上各模塊重量的作用，兩種方案的應力程度近似而且也比較敏感，確定需要添加此處的斜撐。從兩個方案在四個主立柱上產生的應力敏感程度比較來看，兩個方案在外殼上基本一致，而在內部結構上，方案二的應力反應更為敏感。對于中部小立柱，兩個方案在內部基本相同，方案一在外殼上的應力反應敏感程度明顯較大。

表3 兩種方案下主要位置板的屈服應力情況對比Tab.3 Plate yielding stress comparison of two projects

從兩個方案自身的結構及應力傳遞特點來看，方案一水平交叉結構每一個支撐管都是主管，都有效抵抗平臺扭矩的作用，缺點就是出現了兩個交叉點的同時，中部兩個小立柱承受了較大的傳遞力，導致此處強度很差而且很難加強。而方案二的水平交叉結構則是兩個斜撐管為主管，通過中間交叉點，將平臺抵抗扭矩的力有效轉移到首尾的四個主立柱上，提高了主立柱材料利用率，避免中部小立柱的破壞，同時采用的連接兩個中間小立柱的撐管對支撐結構有一定的平衡作用。

從兩個撐桿方案的總體穩定性要求來看，根據材料力學歐拉公式［7］計算撐桿的臨界歐拉應力，從有限元分析結果中讀取靜態、動態結果中撐桿的軸向應力，并求和得撐桿實際軸向應力，與臨界歐拉應力對比后驗證兩種方案中撐桿的總體壓桿穩定性都滿足要求。

綜合試驗數據及支撐結構自身力系傳遞特點以及撐桿穩定性校核結果，選擇方案二作為最后的結構改造方案。

圖5 總體強度分析評估結果Fig.5 Global yielding result

3 改造方案結果詳細分析

創建新方案的有限元模型，將空間剛架梁模型與原來的半潛平臺有限元總體模型合并為最新的總體模型如圖6 所示。對新方案模型，相關專業如穩性，系泊等進行了評估分析計算，改造后的新方案滿足穩性、系泊方面的要求。而在結構設計與強度分析方面，有兩個關鍵位置需要細化處理設計。第一個是水平交叉支撐點處的結構設計，根據現場生產實際經驗，考慮管節點疲勞問題，對此處的結構進行優化設計及疲勞子模型譜分析計算;第二個是各個支撐管與主體結構的連接處，支撐管與DECKBOX 連接及中部橫撐與中間兩個小立柱之間采用圓管配合魚尾板插入連接形式，其它部分采用天圓地方即馬蹄形的過渡形式配合十字交叉板與主體結構連接，并進行疲勞子模型譜分析計算。按照1.2 中總體強度分析的流程完成新方案的總體強度分析，結果如圖6 所示，主要結構板殼區域的結果及利用率如表4 所示。根據ABS 規范［8］編制屈服屈曲簡化疲勞強度后處理程序，計算結果表明平臺板殼屈服屈曲強度基本滿足總體強度要求，平臺的stiffener，girder 也滿足規范的屈曲強度要求。對于簡化疲勞計算后的結果，考慮疲勞應力集中區域主要集中在幾個連接處，后續進行連接處的疲勞子模型譜分析計算，滿足疲勞強度要求。最后完成該方案的所有送審報告并通過船級社審核后，最新建造的平臺實體如圖7 所示。

表4 方案改造后主要區域屈服屈曲校核結果Tab.4 Yielding and buckling result of reconstruction project

圖6 新方案的總體分析結果云圖Fig.6 Global yielding resulFWD STBD view

圖7 實際建造的平臺Fig.7 Platform constructed

4 結 語

通過有限元軟件ABAQUS 對半潛起重生活平臺進行總體屈服屈曲強度分析。采用空間剛架梁模擬實際支撐管系，快速地評估各個改造方案的總體強度情況，通過船級社審核后實施總裝建造，該方法有利于快速地實現結構方案的改造優化，為業內平臺的設計和改造提供重要的工程參考。結果表明:

1)采用有限元分析軟件對半潛平臺進行總體屈服屈曲強度分析方法正確，結果合理，平臺結構總體屈服屈曲強度滿足船級社的要求;

2)空間剛架梁模擬實際管系支撐結構進行各個改造方案的總體強度分析是可行的，符合規范提出的設計思路，并且剛架梁的總體壓桿穩定性滿足要求;

3)方案中下船體交叉管系結構通過特別的結構設計及焊接方式，有效地滿足了管節點疲勞強度問題，而對此類結構的疲勞強度分析需要進一步研究優化。

［1］李 平，李 磊，王媛媛，等.半潛式平臺空間剛架模型強度分析［J］.中國造船，2011，52(增1):179 －181.

［2］DNV RP-C103，Column-Stabilized Units［S］.挪威船級社，2005.

［3］李潤培，王志農.海洋平臺強度分析［M］.上海:上海交通大學出版社，1992.

［4］趙騰倫.ABAQUS 6.6 在機械工程中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［5］朱以文，蔡元奇，等譯.ABAQUS/STANDARD 有限元軟件入門指南—ABAQUS/CAE 版［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［6］王勖成，邵 敏.有限單元法基本原理和數值方法［M］.第2 版，北京:清華大學出版社，1997.

［7］劉鴻文.材料力學［M］.第3 版，北京:高等教育出版社，1992.

［8］ABS，Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.美國船級社，2008.