半潛平臺總體強度模型重量重心調平方法

半潛平臺總體強度模型重量重心調平方法

王洪慶，孫立強，李德江，張國棟，郭勤靜，孫玉海

(中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264000)

分析半潛式鉆井平臺重量分布特點，結合重量分布與重心計算原理，將平臺按照重量分布分塊，推導出可以準確模擬平臺的真實重量重心的參數方程，工程實例計算驗證該方法的可行性與可靠性，結果表明該方法能夠在滿足工程精度要求的前提下，快速完成總體強度模型調平工作。

半潛平臺;重心;總體強度分析;調平

總體強度分析是目前半潛平臺主要結構強度評估的主要手段。其優點是能夠在較少的網格數量下，準確地把握平臺主結構在自身慣性作用以及環境載荷作用下的響應，為設計提供依據。準確地模擬平臺質量分布、平臺結構的主要剛度以及環境載荷是保證總體強度分析可靠性的基礎。其中，準確地模擬平臺的質量分布，是保證后期準確獲得整個總體分析模型在慣性力下結構響應的重要因素［1-3］。半潛式平臺是一個系統高度集成化的工程裝備，準確模擬這些系統以及大型設備的重量重心，是準確評估半潛式平臺總體強度的基本保障［4］。

目前，模擬半潛式鉆井平臺質量的基本思路為①大型設備的重量重心位置，單獨利用質量點模擬;②鋼結構、管路、電氣、通風、鐵舾裝等重量通過改變模型單元材料的密度屬性來模擬;③壓載水等艙室內重量、甲板可變載荷等其他重量分布，可以利用不同有限元軟件本身的功能單獨模擬，諸如Sesam軟件中提供的equipment和compartment功能，以及常規有限元軟件提供的質量點功能等。其中，調節鋼結構、管路、電氣，通風等系統的重量最為復雜，往往調節需要反復迭代，比較費時、費事。為此，總結出一種不需要反復迭代的快速調平模型重量重心的方法，且結果精度能夠滿足工程分析的要求。

2 半潛式鉆井平臺的重量分布特點

表1為某半潛式平臺的重量分布。

表1 某半潛式平臺的重量分布

由表1可見，平臺鋼結構幾乎占到總重的65%，其他幾個系統基本都在10%左右。其中，機械重量主要包括主機、推進器、甲板吊等大型設備重量，重量大且集中，重量重心位置明確，利用質量點或者梁單元就可以很容易模擬出其重量和重心位置。但是對于管路、電氣、舾裝等系統的重量分布與鋼結構一樣，分布在整個平臺，總體強度分析中認為將這些重量重心通過調節主結構shell單元或者主結構模型上beam單元密度的方式完成［5-8］。如何快速合理地調節這些單元的密度，是總體強度模型調平的重要工作。

為了使總體強度模型與實際平臺結構的重心統一，需調節表1中的鋼結構、管路、電氣、舾裝以及較小機械設備的重量重心，之后與主機、推進器、甲板吊等大型設備的重量重心疊加獲得整個平臺的空船重量重心。將空船的重量重心與平臺實際工作中的需要的壓載，甲板可變載荷等其他重量因素進一步疊加，獲得平臺實際工作狀態的重量重心。

以四立柱半潛平臺為例，推導出調整總體強度模型X，Y，Z坐標軸方向重心的參數方程;進而將模型與平臺每個組塊的實際重量匹配，最終完成整個調平工作。

2 結構模型調平的基本原理與方法

2．1 結構分塊與重量調整

以半潛平臺甲板盒為例(其他組塊與甲板盒調節方法類似):①通過調節整體的密度使結構模型的重量與實際平臺甲板盒的重量相等;②將主結構用XY平面分割，參考真實平臺甲板盒的Z向重心位置，進行調節;③參考甲板盒X、Y坐標進一步劃分區域。假設此時模型的重心坐標為(XmG，YmG，ZmG)，每個組塊的重心為(Xu，Gi，Yu，Gi，Zu，Gi)。XD，Gi，YD，Gi，ZD，Gi中i=1～4，u為上層組塊，D為下層組塊。實際平臺甲板盒的重心坐標為(Xa，Ya，Za)。

2．2 調節公式與調節參數方程

假設調整參數為α，β，γ，數值在區間(-1，1)內，分別用于調節X，Y，Z方向的重心位置。

根據重心公式

對X、Y、Z方向3個坐標分別進行調節。

1)調節Z向坐標。利用式(1)，得到

利用參數γ具體數值，可以推得調整后每個組塊的重量大小，見式(3)、(4)，即可以完成Z方向重心位置的調節。

2)調節X向與Y向坐標。

調節好Z軸重心的重量分布的基礎上，分別調整上下兩個部分的X與Y坐標至Xa與Ya。以調整上部分為例，為了方便管理，設上部重心坐標為(Xu，Gi，Yu，Gi，Zu，Gi);重量分別為Gu1，Gu2，Gu3，Gu4，且Gu1+Gu2+Gu3+Gu4=G1u。假設以平行于X軸的基線為準，Gu1，Gu2在X軸同側，Gu3，Gu4在X軸另一側，見圖1。

圖1 分組的坐標位置與組塊名稱

與調節Z向重心一樣，令調節參數為α，使之達到目標重心。

調節參數方程為

進而推出使X軸達到目標重心位置的重量分布方程為

在新的重量Gu1n～Gu4n基礎上，同理令調節參數為β，調節Y向坐標。根據上面分塊的位置，Gu1，Gu3在Y軸同側，Gu2，Gu4在Y軸另一側，見圖1。

參數β為

這樣，可以最終推導出每個組塊的重量。

3 計算實例

以某半潛式平臺的甲板盒為例，利用上述原理調節有限元模型的重量重心。實船參數與模型參數見表2。

1)甲板盒模型整體重量通過調節整個結構的密度使之與實船重量一致。

表1 實船參數與模型參數列表

2)調節Z軸坐標。調節Z軸坐標使之達到目標重量重心位置，見表3。

3)調節X軸與Y軸重量重心，見表4。

4)調節下部組塊。重復3)的做法，調節結果見表5。

表2 調節Z軸坐標后的重量分布

經過上面的步驟，最終調節得到列表中最右列的質量分布，即為最終目標質量分布。調整后重心位置與目標重心對比見表6。

表4 調節X軸和Y軸坐標的重量分布

表5 調節X軸和Y軸坐標的重量分布

表6 調整后重心位置與目標重心對比

由表5、6可見，Y方向的坐標誤差最大，約為0．1%，可以滿足計算的精度要求。分析誤差原因，由于有限元軟件本身在計算重量重心時存在舍去誤差，導致調平誤差的出現。X與Z方向的誤差在-2.4×10-7左右。通過對比，調平結果滿足工程計算的精度要求。

4 結論

1)調平計算過程中無需迭代，只要重量類別劃分和結構分塊合理，一次計算就可匹配目標重量重心。

2)調整精度完全可以滿足總體結構強度評估的需要。

3)便于編制程序，對于結構形式相似的平臺，能夠快速將模型調平，節省項目成本。

4)該方法可以有效避免在調節X軸時，Y軸坐標發生改變，有效避免因坐標相互耦合導致需要反復計算的問題。

5)文中所述調平的方法對于結構分塊過于嚴格，若分塊不均會降低計算結果的精度。

6)該方法僅對四立柱式半潛平臺結構形式有效，對于其他結構形式的平臺，需要進一步分析和討論。

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On the Balancing Method for Adjust COG of Global Strength Analysis Model for the Semi Submersible Platform

WANG Hong-qing，SUN Li-qiang，LI De-jiang，ZHANG Guo-dong，GUO Qin-jing，SUN Yu-hai
(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd.Yantai Shandong 264000，China)

The weight distribution feature of the semi submersible platform is analyzed.In terms of the calculation principle of weight distribution and center of gravity，the platform is separated into different part by weight distribution，and the parameter equations is deduced for simulating the weight of platform accurately.The feasibility and reliability of this method are validated by real engineering project.The results prove that the proposed method can quickly accomplish the mass balancing job and satisfy the precision requirement.

semi submersible platform;COG;global strength analysis;balancing

U674.38

A

1671-7953(2015)02-0154-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.038

2014-09-26

修回日期:2014-12-31

山東省自主創新及成果轉化專項成果轉化項目(2013ZHZX1A0601)

王洪慶(1986-)，男，碩士，助理工程師

研究方向:半潛平臺結構疲勞可靠性研究

E-mail:hongqing.wang@cimc-raffles.com