應(yīng)用高強(qiáng)度鋼對(duì)自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

郭心月，陳景杰，黃　一

(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

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應(yīng)用高強(qiáng)度鋼對(duì)自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

郭心月，陳景杰，黃一

(大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

為探究高強(qiáng)鋼的應(yīng)用對(duì)自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影響，選取4組不同屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼，每組高強(qiáng)鋼下，設(shè)置一系列節(jié)距值，改變樁腿形狀。各節(jié)距下，綜合考慮工作載荷、環(huán)境載荷及P-Δ效應(yīng)載荷作用，采用有限元軟件對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化后結(jié)果分析及討論，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)鋼的選取與樁腿節(jié)距相關(guān)，提出優(yōu)化后樁腿體積和尺寸參數(shù)隨節(jié)距和高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的變化關(guān)系，并給出高強(qiáng)鋼選取及樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的建議。

自升式平臺(tái)樁腿；高強(qiáng)鋼；尺寸優(yōu)化；主弦桿屈曲；節(jié)距

自升式平臺(tái)作為海上油氣開采的重要裝備，其建造成本隨作業(yè)水深的增加而迅速增加，主要原因在于樁腿和主船體用鋼量的增大[1]。通過使用高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)樁腿結(jié)構(gòu)輕量化，提高平臺(tái)可變載荷和自持能力。目前，高強(qiáng)鋼在自升式鉆井平臺(tái)中占比55%～60%，且樁腿需要460～690 MPa級(jí)別及690 MPa以上級(jí)別的高強(qiáng)鋼[2]。對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的研究，在文獻(xiàn)[3-7]中已取得一定的研究成果。然而目前尚未有學(xué)者基于高強(qiáng)鋼應(yīng)用，對(duì)自升式平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。本文選取4組不同屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼，分別對(duì)樁腿構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化，保證其在消耗鋼材最少的情況下滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的限制。分析及討論優(yōu)化結(jié)果，確定高強(qiáng)鋼的選取與節(jié)距之間的關(guān)系，以便在高強(qiáng)鋼選取及樁腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面給出有效的建議。

1　計(jì)算模型

1.1平臺(tái)參數(shù)

選取遼河重工有限公司設(shè)計(jì)建造的CP-350自升式鉆井平臺(tái)，平臺(tái)主體呈三角形，采用三樁腿桁架式結(jié)構(gòu)，樁腿型式為Inv-K型(見圖1)，最大工作水深為115 m。平臺(tái)總長72.05 m，總寬66 m，主船體型深8.2 m，樁腿縱向距離42 m，橫向距離23 m。

圖1　Inv-K型樁腿結(jié)構(gòu)示意

樁腿結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)為：高154.75 m，主弦桿中心距11.75 m，節(jié)距7.925 m；主弦桿外徑0.44 m，壁厚0.06 m；齒條板寬度0.651 m，厚度0.152 m；斜撐桿外徑0.273 m，壁厚0.021 m；水平撐桿外徑0.324 m，壁厚0.021 m；水平內(nèi)撐桿外徑0.168 m，壁厚0.011 m。樁腿材料為ASTMA514CrQ，其彈性模量206 GPa、泊松比0.3、屈服強(qiáng)度690 MPa。

1.2有限元模型

根據(jù)SNAME規(guī)范的推薦，將主船體簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧M成的空間梁系。采用有限元軟件ANSYS提供的管單元模擬樁腿的斜撐桿、水平撐桿和水平內(nèi)撐桿。自定義梁?jiǎn)卧孛婺M主弦桿與齒條組成的拼接截面，并與厚度無限小的管單元進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合，其中管單元提供波浪和海流作用力[8]。邊界條件為在泥面以下3.0 m處對(duì)樁腿簡(jiǎn)支[9]。

平臺(tái)三維有限元模型見圖2。

2　計(jì)算載荷

2.1工作載荷

自升式鉆井平臺(tái)在風(fēng)暴自存工況下受到的工作載荷包括固定載荷和可變載荷。空船重量為14 146.4 t，可變載荷為2 350 t，其中樁腿和樁靴總重量為3 933 t。

2.2環(huán)境載荷

平臺(tái)在其工作海域承受的環(huán)境載荷主要包括風(fēng)浪流載荷，同時(shí)還需考慮P-Δ效應(yīng)載荷。風(fēng)浪流環(huán)境載荷同向，選取9個(gè)入射方向，見圖3。

圖3　環(huán)境載荷入射方向

風(fēng)暴自存工況下設(shè)計(jì)風(fēng)速51.4 m/s，波浪波高15.24 m，波浪周期15.03 s。海流表面流速0.51 m/s，海水密度1.03 g/cm3。采用Stokes五階波理論計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度，Morison公式計(jì)算樁腿構(gòu)件波浪載荷，線性流速剖面分布計(jì)算海流載荷，且海底流速為0。參考SNAME規(guī)范計(jì)算樁腿各部分構(gòu)件的拖曳力系數(shù)CD與慣性力系數(shù)CM值。針對(duì)每一個(gè)入射方向，搜索相位角使波浪傾覆彎矩達(dá)到最大值。風(fēng)載荷在-90°至90°入射方向下的載荷值分別為962.5，959.9，1 179.8，1 186.5，1 050.7，1 186.48，1 179.81，959.86，962.48 kN。依據(jù)CCS規(guī)范，計(jì)入P-Δ效應(yīng)影響。靜力分析結(jié)果表明，風(fēng)浪流入射方向?yàn)?0°時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)最大，故在此工況下對(duì)樁腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3　優(yōu)化設(shè)置及優(yōu)化結(jié)果

3.1優(yōu)化設(shè)置

樁腿最大軸向應(yīng)力發(fā)生在主船體與樁腿連接處的主弦桿上，為壓應(yīng)力。根據(jù)CCS規(guī)范，對(duì)于承受軸向壓縮和彎曲組合作用的構(gòu)件，校核其屈曲強(qiáng)度時(shí)，計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足下式要求。

(1)

(2)

式中：σa，[σa]——構(gòu)件計(jì)算軸向壓縮應(yīng)力和許用軸向壓縮應(yīng)力，MPa；

σby，σbz——構(gòu)件關(guān)于橫截面y和z軸的計(jì)算彎曲應(yīng)力，MPa；

[σby]，[σbz]——構(gòu)件關(guān)于橫截面y和z軸的許用彎曲壓縮應(yīng)力，MPa；

Cmy，Cmz——計(jì)算彎矩作用于XOY平面和XOZ平面內(nèi)屈曲時(shí)的等效彎矩系數(shù)。

定義主弦桿屈曲狀態(tài)參數(shù)W，令W等于以上公式不等號(hào)左邊部分。

選取的4組高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度為438，507，690，805 MPa，分別記為HSS-438、HSS-507、HSS-690和HSS-805。組合工況下取安全系數(shù)為1.25，許用應(yīng)力分別為350，405，552和644 MPa。綜合考慮樁腿結(jié)構(gòu)重量、性能以及建造難度，將樁腿結(jié)構(gòu)等節(jié)距部分的節(jié)數(shù)依次定為9至20節(jié)，共12種形狀，節(jié)距分別為6.74，7.1，7.49，7.92，8.43，9，9.64，10.38，11.25，12.27，13.5和15 m。

各個(gè)節(jié)距下，采用ANSYS中的零階優(yōu)化方法，設(shè)置主弦桿、斜撐桿、水平撐桿和水平內(nèi)撐桿的直徑與厚度為優(yōu)化變量。齒條尺寸依附于主弦桿尺寸，故設(shè)置齒條直徑和厚度與主弦桿直徑的比值為定值。樁腿體積最小為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)滿足強(qiáng)度約束條件即樁腿最大軸向應(yīng)力小于高強(qiáng)鋼的許用應(yīng)力，以及穩(wěn)定性約束條件即W≤1。

3.2優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后，分別繪制樁腿節(jié)距與樁腿總體積、樁腿最大軸向應(yīng)力、樁腿最大位移及主弦桿屈曲狀態(tài)參數(shù)W的變化曲線見圖4～7。

圖4　樁腿節(jié)距與樁腿總體積變化

圖5　樁腿節(jié)距與樁腿最大軸向應(yīng)力變化

圖6　樁腿節(jié)距與最大位移變化

圖7　樁腿節(jié)距與W值變化

根據(jù)圖4～7可得：

1) HSS-690和HSS-805高強(qiáng)鋼的優(yōu)化結(jié)果完全相同。說明當(dāng)主弦桿屈曲狀態(tài)參數(shù)為優(yōu)化的緊約束條件(即W=1)時(shí)，增加高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度將不能提高樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，高強(qiáng)鋼的應(yīng)用并不是越強(qiáng)越好。此時(shí)增大樁腿節(jié)距則需要增加樁腿總體積(見圖4)以抵抗其屈曲，將導(dǎo)致樁腿最大軸向應(yīng)力和最大位移逐漸減小。

2) 由HSS-438和HSS-507高強(qiáng)鋼的優(yōu)化結(jié)果得，當(dāng)樁腿最大軸向應(yīng)力為優(yōu)化的緊約束條件(即W<1)時(shí)，同一節(jié)距下增加高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度將能提高樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度性能。然而隨著樁腿節(jié)距的增大，優(yōu)化的緊約束條件由樁腿最大軸向應(yīng)力變?yōu)橹飨覘U屈曲狀態(tài)參數(shù)，在某一節(jié)距樁腿首次達(dá)到臨界屈曲條件。首次達(dá)到臨界屈曲狀態(tài)的節(jié)距值隨著樁腿高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的增大而減小。

樁腿節(jié)距與優(yōu)化后各部分體積和樁腿總體積比值的變化見圖8。圖8中編號(hào)1代表主弦桿，2代表水平撐桿， 3代表斜撐桿， 4代表水平內(nèi)撐桿。HSS-690和HSS-805高強(qiáng)鋼優(yōu)化結(jié)果相同。不同高強(qiáng)鋼對(duì)應(yīng)的優(yōu)化后樁腿節(jié)距與各部分體積比變化曲線相同。主弦桿體積最大，斜撐桿和水平撐桿體積次之，水平內(nèi)撐桿體積最小。增大節(jié)距，主弦桿體積比逐漸增大，其余各部分體積比逐漸下降，即主弦桿對(duì)結(jié)構(gòu)的作用隨節(jié)距的增大而增大。結(jié)合圖4，可知在一定節(jié)距范圍內(nèi)，增大高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度可以減小樁腿總體積，且樁腿各部分體積等比例減小。

樁腿節(jié)距與優(yōu)化后樁腿各部分直徑及壁厚的變化見圖9、10。主弦桿直徑和厚度最大；水平撐桿和斜撐桿的直徑和厚度次之，且兩者的直徑和厚度相差較小；水平內(nèi)撐桿直徑和厚度最小。結(jié)合圖4～7可得，4組高強(qiáng)鋼下，主弦桿直徑和厚度變化是樁腿總體積變化的主要原因，對(duì)樁腿強(qiáng)度和穩(wěn)定性有著重要的影響。一定節(jié)距范圍內(nèi)，優(yōu)化后的主弦桿直徑和厚度隨高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的增大而減小。斜撐桿、水平撐桿和水平內(nèi)撐桿的直徑和厚度隨節(jié)距及高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的變化而幾乎不變。

圖8　樁腿節(jié)距與各部分體積比變化

圖9　樁腿節(jié)距與各部分構(gòu)件直徑變化

圖10　樁腿節(jié)距與各部分構(gòu)件壁厚變化

4　討論

上述分析是基于確定的自升式平臺(tái)得到的結(jié)果，為使文中結(jié)論具有廣泛的應(yīng)用，需要研究其他模型樁腿節(jié)距的變化對(duì)樁腿強(qiáng)度的影響。由于有學(xué)者認(rèn)為自升式平臺(tái)樁腿底部采用彈簧約束更合理，因此，在本研究中將上述模型樁腿處的約束條件改為彈簧約束(具體包括3個(gè)平動(dòng)彈簧和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧[10])進(jìn)行分析，彈簧剛度參考SNAME規(guī)范中Elgin Site處地基。彈簧約束條件下，優(yōu)化結(jié)果隨節(jié)距及高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律(見圖11～17)與簡(jiǎn)支約束條件下的變化規(guī)律相似。

圖11　樁腿節(jié)距與樁腿總體積變化

圖12　樁腿節(jié)距與樁腿最大軸向應(yīng)力變化

圖13　樁腿節(jié)距與樁腿最大位移變化

圖14　樁腿節(jié)距與W值變化

圖15　樁腿節(jié)距與樁腿各部分體積比變化

圖16　樁腿節(jié)距與樁腿各部分直徑變化

圖17　樁腿節(jié)距與樁腿各部分厚度變化

5　結(jié)論

1)分析樁腿底部簡(jiǎn)支約束和彈簧約束條件下的優(yōu)化結(jié)果可得，樁腿強(qiáng)度、穩(wěn)定性、總體積、各部分構(gòu)件體積及各部分構(gòu)件尺寸參數(shù)隨節(jié)距和高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的變化而有規(guī)律地變化。該規(guī)律對(duì)于樁腿結(jié)構(gòu)的輕量化研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

2)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用并非越強(qiáng)越好，尤其隨著節(jié)距的增大，增加高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度將不能提高樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。固定節(jié)距下進(jìn)行以主弦桿屈曲狀態(tài)參數(shù)為約束條件的優(yōu)化，當(dāng)主弦桿達(dá)到屈曲臨界條件時(shí)，樁腿總體積最小，軸向應(yīng)力最大，該軸向應(yīng)力值可以為高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度的選取提供參考。如果選取的高強(qiáng)鋼許用應(yīng)力值大于該軸向應(yīng)力值，材料的強(qiáng)度性能無法充分發(fā)揮。

3)本文的優(yōu)化分析基于構(gòu)件應(yīng)用同一種高強(qiáng)鋼的樁腿結(jié)構(gòu)，并未涵蓋所有類型的樁腿結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于不同構(gòu)件應(yīng)用不同高強(qiáng)鋼的樁腿結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步研究。

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On the Optimization of Jack-up Platform Legs Structure Based on High Strength Steel

GUO Xin-yue, CHEN Jing-jie, HUANG Yi

(School of Navy Architecture and Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Four grades of high strength steels with different yield strength are applied to the study the optimization of jack-up legs structure. For each leg, a series of pitch values is chosen to change its shape and carry out optimization by FEA in consideration of working load, environmental load andP-Δeffect. The optimized results and discussions demonstrate that the selection of high strength steels is related to the pitch values. The relationship of the optimized leg volume and size to the yield strength of high strength steel and pitch values is obtained. Some recommendations on the high strength steel selection and structure design are presented.

jack-up platform legs; high strength steel; size optimization; chord buckling; pitch

2016-03-01

2016-03-21

國家自然科學(xué)基金(51579039)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助(DUT14RC(4)43，DUT14LK01)

郭心月(1992—)，女，碩士生

U674.38；TE951

A

1671-7953(2016)04-0077-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.019

研究方向:船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)安全分析

E-mail:xinyueguo@mail.dlut.edu.cn