利用上層建筑外圍艙壁吊裝超大模塊強(qiáng)度分析

張忠鵬，張譚龍，杜之富，徐紅梅，李 磊，韓華偉，張 工

(煙臺(tái)中集海洋工程研究院，山東 煙臺(tái) 264000)

利用上層建筑外圍艙壁吊裝超大模塊強(qiáng)度分析

張忠鵬，張譚龍，杜之富，徐紅梅，李 磊，韓華偉，張 工

(煙臺(tái)中集海洋工程研究院，山東 煙臺(tái) 264000)

利用ABAQUS有限元分析軟件并參考相關(guān)海洋工程操作規(guī)范，對(duì)設(shè)計(jì)有大型上層建筑結(jié)構(gòu)的海洋鉆井平臺(tái)整體上船體模塊的吊裝強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并利用整體分析的結(jié)果數(shù)據(jù)和子模型的方法詳細(xì)評(píng)估吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔應(yīng)力集中情況，形成指導(dǎo)吊裝加強(qiáng)及操作的分析報(bào)告，對(duì)比有限元分析所得數(shù)據(jù)與吊裝過(guò)程中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證有限元分析方法的可行性和有效性。

ABAQUS；有限元分析；上層建筑；吊裝

隨著深海油氣資源的勘探和開(kāi)發(fā)，海洋半潛式鉆井平臺(tái)目前成為了主要的海洋工程裝備。自1961年第一座半潛式鉆井平臺(tái)誕生以來(lái)，隨著建造工藝的不斷改進(jìn)演變出了不同的建造合攏方式。主要有平地搭積木法、船塢內(nèi)軌道滑移法和海上浮托法以及中集來(lái)福士獨(dú)創(chuàng)的“泰山吊”法。

“泰山吊”法，即利用2萬(wàn)t“泰山”吊起重達(dá)萬(wàn)t以上的上船體一次完成與下船體的合攏操作。半潛式鉆井平臺(tái)上船體一般設(shè)計(jì)有較大的上層建筑生活區(qū)，上層建筑板厚一般為6～8 mm且內(nèi)部舾裝較脆弱，這些因素為在上層建筑上設(shè)置吊點(diǎn)帶來(lái)了很大困難和風(fēng)險(xiǎn)。在利用8 mm的上層建筑外圍艙壁起吊1萬(wàn)多t的上船體時(shí)，上層建筑外圍艙壁的強(qiáng)度是否滿足要求是決定吊裝安全性與否的至關(guān)重要的因素。現(xiàn)以中集來(lái)福士公司成功合攏的深水半潛式鉆井平臺(tái)COSLPROSPECTOR為例，介紹利用ABAQUS[1-2]軟件根據(jù)實(shí)際的吊裝操作環(huán)境，校核吊裝過(guò)程中上船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度情況。

1 吊機(jī)參數(shù)和操作介紹

1.1 “泰山”吊參數(shù)

“泰山”吊參數(shù)如下。

最大起重能力：20 160 t;

起重高度：低橫梁83 m,高橫梁113 m;

橫梁跨距：120 m;

低橫梁移動(dòng)距離：±7 m;

橫梁間距：35.5～49.5 m;

吊升速度：0～0.3 m/min。

“泰山”吊機(jī)仿真模型見(jiàn)圖1。

圖1 兩萬(wàn)t“泰山”吊機(jī)

1.2 吊裝要求介紹

“泰山”吊機(jī)可以在35.5～49.5 m的范圍內(nèi)通過(guò)兩根橫梁上的吊鉤安裝在上船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)傻镭灤┡摫谏线M(jìn)行起吊。

吊機(jī)兩根橫梁上的吊鉤要裝配在上船體的艙壁上，需在相應(yīng)艙壁頂端焊裝上吊機(jī)吊鉤裝配專用的帶銷軸的吊裝板，見(jiàn)圖2。

圖2 吊鉤裝配用的帶銷軸的吊裝板

2 上船體吊裝有限元模型

建立模型采用右手法則坐標(biāo)系，有限元分析主要關(guān)注吊點(diǎn)以及吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，故模型的其他區(qū)域結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。上船體外圍艙壁、甲板和縱向橫向艙壁采用4節(jié)點(diǎn)和3節(jié)點(diǎn)殼體單元進(jìn)行模擬，吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的T型材腹板同樣采用殼體單元模擬，其他的扶強(qiáng)材、強(qiáng)梁等可通過(guò)兩節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧?jiǎn)化模擬，上船體整體吊裝模型見(jiàn)圖3。

圖3 上船體有限元分析模型

吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)子模型的建立主要校核開(kāi)孔的應(yīng)力集中情況。模型建立的關(guān)鍵點(diǎn)是在模型網(wǎng)格單元的劃分時(shí)，開(kāi)孔周圍網(wǎng)格一般設(shè)置成板厚1.5倍的大小，COSLPROSPECTOR上船體吊裝在上層建筑上設(shè)置吊點(diǎn)的區(qū)域子模型見(jiàn)圖4。

圖4 上層建筑的吊點(diǎn)區(qū)域子模型

上船體結(jié)構(gòu)材料采用DH36高強(qiáng)鋼，材料屈服極限強(qiáng)度為σs=355 MPa,在ABAQUS的屬性模塊中輸入如下參數(shù)：彈性模量E=206 GPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7 850 kg/m3。

3 約束條件的模擬

現(xiàn)場(chǎng)COSLPROSPECTOR起吊進(jìn)行上下船體大合攏的照片見(jiàn)圖5。在有限元模型的建立中，以兩點(diǎn)組成的帶剛度彈簧來(lái)模擬吊裝鋼絲繩。彈簧的一個(gè)端點(diǎn)連接到上船體模型中的吊裝軸板上，另一端連接到約束了6個(gè)自由度的固定點(diǎn)上,以模擬吊機(jī)橫梁對(duì)吊裝鋼絲繩的垂向作用。

圖5 COSLPROSPECTOR現(xiàn)場(chǎng)吊裝現(xiàn)場(chǎng)

后續(xù)對(duì)整個(gè)上船體有限元模型運(yùn)行分析，在ABAQUS分析軟件所產(chǎn)生的結(jié)果文件中會(huì)包含odb和prt兩個(gè)運(yùn)行結(jié)果文件，對(duì)吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)孔的子模型分析中，分析約束條件的模擬會(huì)利用這兩個(gè)文件自動(dòng)插補(bǔ)出來(lái)。整體和子模型分析約束條件的模擬見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 上船體整體分析的約束條件

圖7 吊點(diǎn)區(qū)域子模型分析的約束條件

4 載荷和工況設(shè)置

4.1 載荷施加

上船體重量主要由鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備、管道、電纜等產(chǎn)生，在 ABAQUS有限元分析軟件中以無(wú)結(jié)構(gòu)質(zhì)量點(diǎn)模擬上船體中各種小重量分散構(gòu)件的質(zhì)量，以帶坐標(biāo)的點(diǎn)質(zhì)量模擬5 t以上設(shè)備的重量，整船結(jié)構(gòu)的重量以調(diào)節(jié)材料密度的方式進(jìn)行調(diào)整，施加整體重力加速度9.81 m/s2，見(jiàn)圖8、9。

圖8 小重量分散構(gòu)件質(zhì)量的施加

圖9 重型設(shè)備質(zhì)量的施加

4.2 工況設(shè)置

對(duì)于萬(wàn)t級(jí)的上船體吊裝大合攏操作，必須選擇在天氣條件非常好的情況下進(jìn)行，再結(jié)合從吊裝到合攏完成的整個(gè)過(guò)程都是在船塢內(nèi)進(jìn)行的，且吊機(jī)起升過(guò)程非常緩慢，故參考國(guó)內(nèi)外吊裝方面的相關(guān)規(guī)范，對(duì)吊點(diǎn)和吊點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)分別取不同的安全系數(shù)即可，無(wú)須參考海上吊裝要設(shè)置復(fù)雜的分析工況[3-4]。

5 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度合成應(yīng)力的校核公式[5]，對(duì)于板殼構(gòu)造，結(jié)構(gòu)的 Von Mises應(yīng)力應(yīng)小于材料屈服極限除以相應(yīng)的安全系數(shù)。合成應(yīng)力計(jì)算公式如下。

σallow=σs/f

式中：σxd——沿x方向的正應(yīng)力；

σyd——沿y方向的正應(yīng)力；

τd——平面內(nèi)的剪應(yīng)力；

σallow——結(jié)構(gòu)的許用計(jì)算應(yīng)力；

σs——材料的屈服極限；

f——設(shè)置的安全系數(shù)。

5.1 上船體分析結(jié)果的評(píng)估

對(duì)整個(gè)上船體的分析，主要為評(píng)估主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與材料的許用應(yīng)力對(duì)比情況，上船體內(nèi)各主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況見(jiàn)表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平

ABAQUS有限元分析上船體整體吊裝的Von Mises應(yīng)力見(jiàn)圖10，從應(yīng)力云圖的分布和大小可概括判斷出吊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求。

圖10 上船體應(yīng)力云圖

5.2 吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)子模型分析的評(píng)估

對(duì)于吊點(diǎn)及附近結(jié)構(gòu)的子模型分析，主要評(píng)估兩個(gè)連接有鉤頭的艙壁及附近結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔應(yīng)力集中情況，尤其要關(guān)注上層建筑外圍板的應(yīng)力情況，從局部細(xì)節(jié)來(lái)評(píng)估吊裝對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，給出結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)方案。如上層建筑外圍板上本來(lái)分布有大量較密的門窗開(kāi)孔，經(jīng)子模型分析吊裝強(qiáng)度不滿足，故吊裝前門窗孔全沒(méi)有開(kāi)。吊點(diǎn)艙壁應(yīng)力分布見(jiàn)圖11、12。

圖11 首部吊點(diǎn)艙壁應(yīng)力圖

圖12 尾部吊點(diǎn)艙壁應(yīng)力圖

5.3 分析所得支反力與實(shí)測(cè)值比較

吊機(jī)的兩根橫梁上各安裝有6個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)內(nèi)都配置有受力傳感器，可以在監(jiān)控室的電腦上檢測(cè)出起吊過(guò)程中每組卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)所提供升力的大小情況。

分析所得支反力與檢測(cè)值的比較見(jiàn)表2、3，可知上船體吊裝的有限元分析在某些方面的準(zhǔn)確率可達(dá)到80%。

表2 首部吊點(diǎn)分析值與檢測(cè)值的比較 t

表3 尾部吊點(diǎn)分析值與檢測(cè)值的比較 t

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)萬(wàn)噸級(jí)半潛式鉆井平臺(tái)上船體吊裝的有限元分析評(píng)估與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析方法的可行性和有效性。此吊裝分析與傳統(tǒng)的吊裝分析最大區(qū)別為吊點(diǎn)要設(shè)置在8 mm厚的上層建筑薄板結(jié)構(gòu)上。文中主要對(duì)結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行了有限元法分析，對(duì)薄板結(jié)構(gòu)的屈曲和變形分析還有待于進(jìn)一步研究。

[1] 莊 茁．ABAQUS有限元軟件6.4版入門指南[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[2] 石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[3] 邱隆寶．船舶起重工[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008．[4] 挪威船級(jí)社.RULES FOR MARINE OPERATIONS[S],1996.

[5] 挪威船級(jí)社.OFFSHORE STANDARD DNV-OS-C101[S],2004.

The Lifting Strength Analysis of Overlarge Module by theOutboard Bulkhead of Superstructure

ZHANG Zhong-peng, ZHANG Tan-long, DU Zhi-fu, XU Hong-mei,LI Lei, HAN Hua-wei, ZHANG Gong

(Yantai CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264000, China)

A global lifting FE analysis for the upper hull of offshore rig with overlarge superstructure is performed by using ABAQUS according to the relevant marine operation rules, and the stress concentration around holes nearby the lifting points are also analyzed through the result of global lifting analysis and sub-model technique. A scheme of lifting reinforcement and a manual instruction for the lifting operation are completed by evaluating the global lifting strength and local stress concentration. Through the comparison between the FEA results and the measured data of sensor during lifting, the strength analysis method is verified.

ABAQUS; lifting; finite element analysis; superstructure; lifting

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.035

2014-09-12

張忠鵬(1982-)，男，學(xué)士，工程師

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0137-04

修回日期：2014-09-28

研究方向:海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析

E-mail:zhongpeng.zhang@cimc-raffles.com