自升式平臺的局部結構應力分析

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(1.浙江海洋學院 船舶海洋工程學院，浙江舟山 316000; 2.中交天津港灣工程設計院有限公司，山東青島 226071)

海洋平臺結構龐大、系統復雜，在設計過程中往往考慮主要因素，忽略一些次要因素。如結構的開孔，在直接計算過程中一般不考慮，但在實際中，由于開孔的影響，會導致在孔附近發生應力集中現象。另外結構內部的裂紋，也會導致結構應力強度減弱。上述這些問題，在一般情況下不會直接對結構造成嚴重影響。但由于海洋平臺要長期處于海洋環境中，在極端海洋環境條件下，上述問題可以會持續發生;而且，如果發生在平臺的主要構件上，可能會導致平臺失效，從而嚴重威脅人員生命安全并造成重大的經濟損失。對于海洋結構物的應力集中問題[1-8]，現有成果的主要研究對象為平臺樁腿、平臺整體及平臺與樁腿連接處，針對自升式平臺主體的艙壁開孔的應力集中問題研究很少。本文利用有限元法，計算分析自升式海洋平臺縱艙壁和橫艙壁上開孔前后的應力及其影響。

1 自升式平臺結構的有限元模型

以勝利作業七號自升式平臺為例進行研究。勝利作業七號自升式作業平臺是一艘獨立樁腿的自升式海洋平臺，鋼質非自航，結構由平臺主體、樁腿和升降系統三部分組成,見圖1。平臺主體為三角形箱形結構，帶有懸臂梁系統。平臺型長39 m、型寬36 m、型深4.6 m。平臺設三根圓柱形樁腿(帶樁靴)，艏一艉二，樁腿長60 m、直徑2.5 m。樁腿底部帶有5.7 m×5.7 m×1.6 m的正八角形樁靴。平臺主體甲板劃分為：船艏生活區、船舯工程設備區和船艉作業區。平臺的主要任務是在水深40 m范圍內的渤海灣海域進行海上作業。

圖1 勝利作業七號平臺總布置

利用MSCPATRAN建立平臺的有限元模型，見圖2。

圖2 平臺結構的有限元模型

在平臺縱艙壁和橫艙壁上開孔，①號孔為右距中5 000 mm縱艙壁開孔；②號孔為左距中5 000 mm縱艙壁開孔；③號孔、④號孔分別為51#肋位橫艙壁右孔、左孔。開孔形狀為圓角矩形，規格為1 650 mm×800 mm，圓角半徑為180 mm，見圖3。對開孔處局部單元進行細化，見圖4。

圖3 平臺主體縱橫艙壁上的開孔位置

圖4 縱艙壁上開孔的局部單元細化

該平臺主體節點數23 846個、單元數48 842個；樁腿用殼單元模擬，樁內進行縱向加強；樁腿上的開孔直徑為300 mm、孔間隔為1 500 mm，孔周圍進行局部單元細化，見圖5。

圖5 樁腿開孔的局部單元細化

樁腿上的節點數為89 083個、單元數92 322個，其中殼單元88 962個、梁單元3 360個。平臺與樁腿之間采用MPC連接，每根樁腿使用3個MPC與平臺相連接。

利用莫里森公式，計算得每根樁腿的波浪力為660 kN,平臺風載荷總和最大為1 498 kN。其中波浪力平均分布在樁腿上，風載荷平均分布在平臺的受風面上。利用NASTRAN，計算平臺在自存狀態下的局部應力。

2 不同開孔形狀對應力的影響

考慮開孔的形狀為圓角矩形、矩形孔和圓形。孔的規格分別：①圓角矩形1 650 mm×800 mm，圓角半徑180 mm；②矩形1 650 mm×800 mm；③圓形，直徑1 650 mm。見圖6。

圖6 三種開孔的形狀

計算開孔為不同形狀時，孔周圍節點的最大應力，①號、②號、③號和④號孔上的最大應力對比情況見表1。

表1不同形狀時應力的最大值 MPa

由表1可見，開孔為圓角矩形時的應力值明顯小于矩形孔時的應力；開孔為圓形時的應力值最小，矩形開孔應力值最大。

3 開孔后不同加強結構應力分析

考慮開孔處采用增加面板、周圍框架加強和直接開孔無加強時(見圖7)，計算開孔處鉛垂方向上節點的應力，并與沒有開孔時的平臺應力進行對比。在①號孔鉛垂方向取節點，分析節點的X方向、Y方向和von Mises應力，結果見圖8。由圖8可見，孔上下兩端節點的應力比不開孔時有明顯增大，而且，開孔邊緣增加面板時的應力為最小。

圖7 開孔處3種加強方式

圖8 ①號孔處鉛垂方向節點應力

計算①號孔處水平方向節點的應力，并與沒有開孔時的平臺應力進行對比，分析節點的X方向、Y方向和von Mises應力，結果見圖9。由圖8可見，孔左右兩側節點的應力卻比不開孔時有明顯減小，但在離孔一定距離外(大約等于孔直徑)應力有所增加。這是由于結構受力特點而引起的。

計算③號和④號孔處水平方向節點的應力，并與沒有開孔時的平臺應力進行對比，得出節點的X方向、Y方向和von Mises應力，結果見圖10。由圖10可見，孔左右兩側節點的應力都比不開孔時有明顯減小，但在離孔一定距離外的應力都有所增加。

圖9 ①號孔處水平方向節點應力

圖10 ③和④號孔處節點應力

以下再考慮艙壁開孔邊緣上的應力。考慮在開孔處上加面板、開孔周圍利用框架進行加強和直接開孔無加強這3種情況下，計算自升式平臺結構開孔邊緣的應力，對縱艙壁和橫艙壁上開口附近的應力進行分析。見圖11、12。

圖11 ①號孔邊緣節點應力

圖12 ③號孔邊緣節點應力

從以上結果可以看出，在開孔的4個角上，應力明顯增大；在開孔上增加面板可以顯著降低孔邊緣的應力，其中，開孔加面板時①號孔邊緣的最大應力比沒有面板時的應力降低30%，開孔加面板時③號孔邊緣的最大應力比沒有面板時的應力降低24%。

4 開孔對樁腿應力的影響分析

平臺采用液壓升降式，殼體式樁腿上要進行開孔，將銷釘插入。通過孔周圍局部單元細化，計算孔周圍的應力。見圖13。

圖13 艏樁底板下第一個孔周圍局部單元應力云圖

圖14 艏樁右側孔周圍應力

由圖14可見，艏樁平臺底板下右側第1個孔周圍的最大應力達到249 MPa；而左側第1個孔周圍的最大應力僅42.3 MPa，這是由于樁腿受壓和彎曲組合而造成。

在艏樁右側開孔周圍，考慮水平沿圓周方向的節點，其應力見圖14a)；而鉛垂方向的節點的應力如圖14b)。由計算結果可見，孔周圍水平方向節點的應力急劇增加；而孔周圍垂直方向上節點的應力卻都降低。這是由于樁腿主要承受垂直方向載荷和橫向彎曲有關。

5 結論

1)自升式平臺主體艙壁上的開孔對周圍造成一定的影響。開孔為圓角矩形時的應力值明顯小于矩形孔時的應力；開孔為圓形時的應力值最小，矩形開孔時的應力值最大。

2)在沿開孔邊緣節點中，在開孔的4個角上，應力明顯增大；在開孔上增加面板可以顯著降低孔邊緣的應力。

3)平臺主體艙壁上，孔周圍水平方向節點的應力急劇增加；而孔周圍垂直方向上節點的應力卻都降低。

4)考慮開孔時，平臺樁腿上的應力集中系數急劇增加，孔周圍水平環向節點的應力急劇增加；而孔周圍垂直方向上節點的應力卻都降低。

5)由于樁腿受力不均勻，不同位置的開孔附近的應力差別很大，這取決于樁腿載荷形式。

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