6 結構工況分析

6 結構工況分析

對于環境載荷，計算時假定風、浪、流產生的最大載荷同時作用在主船體上［5］，風暴自存工況和鉆井作業工況時在不同工作水深下環境載荷參數見表1和表2。

表1　風暴自存工況時的環境載荷參數

表2　鉆井作業工況時的環境載荷參數

對不同波和流的作用方向，分別計算了共五種方向下波浪和海流對平臺的作用（見圖16），從而得到圍井區結構應力最大的工況。這五種情況和上述六種工況共組成30種工況，再加預壓載的一種工況，共計31種工況（見表3）。

圖16　作用在平臺上的五種波浪方向

表3　有限元分析所要考慮的所有工況

7　有限元分析及結果

通過采用SESAM軟件GeniE建立自升式鉆井平臺模型，對于圍井區結構艙壁采用等效截面梁的形式進行模擬［6］。樁腿弦管為自定義的梁單元，從而保證其剛性及截面特性與實際保持一致。

7.1 邊界條件

根據規范要求，整個平臺主體的邊界條件依據規范取泥線以下3.05 m處進行鉸支，樁腿與圍井區的連接模擬是樁腿弦管與圍井區上下導塊和鎖緊結構的三點連接，上下導塊只約束水平位移，鎖緊位置同時約束水平和豎直位移［7］。

7.2 計算載荷

計算載荷應考慮垂直方向和水平方向兩種情況。對于風暴自存及鉆井作業工況時（即表3中的工況1 — 工況15及工況16 — 工況30），對于垂直方向包括結構自重（包括主船體、升降基礎、樁腿樁靴、懸臂梁、鉆臺等結構）、甲板可變載荷、慣性載荷，以及在建造過程中應考慮增加的額外載荷（本平臺增加450 t）。對于水平方向主要為在五種方向上不同作業水深時的環境載荷。

需要注意的是，風暴自存的15種工況與鉆井作業的15中工況在垂直方向上的計算載荷僅結構自重一樣，其他受力均不一樣，應分別施加計算。此外，同時在水平方向的環境載荷也不一樣，每種工況也應分別計算。

對于第31種工況（預壓載工況）僅分析垂直方向的載荷即可，不需要考慮水平方向的環境載荷。

7.3 有限元網格劃分原則

網格劃分單元的尺度不能大于屈曲半波長度的一半，有限元網格密度應達到足以使模擬板、扶強材、縱桁、艙壁、底板、甲板等這些結構所有相關局部屈曲變形和局部塑性變形［8］。考慮到圍井區結構的重要性，橫向與垂向以一個縱骨間距為一個單元，縱向以一個肋骨間距為一個單元，局部重要地方加密網格。以尾部左舷圍井區為例，其有限元模型如圖17所示。

圖17　圍井區有限元模型

7.4 計算結果

根據CCS規范及相關規定，參與分析的平臺主體框架的結構構件應按以下規定確定其許用應力值［σ］：

式中：σS為材料的屈服強度，N/mm2；S為安全系數，（靜載工況時取1.43，組合工況時取1.11）。

圍井區所用鋼材為CCS-AH36或CCS-DH36鋼級，其屈服強度σS= 355 MPa。在組合工況下，安全系數S取1.11，此時許用應力［σ］= 355 / 1.11 = 319.8 MPa；在靜載工況下，安全系數S取1.43，此時許用應力［σ］= 355 / 1.43 = 248.3 MPa。

經有限元分析計算，31種工況中共有7種工況下的最大應力在圍井區結構上（見下頁表4），其對應的應力云圖見下頁圖18 — 圖24。經過計算校核，結構屈服強度滿足規范要求。

表4　有限元分析后圍井區處于最大應力時的工況　MPa　

圖18　尾部左舷圍井區應力云圖（工況1）

圖19　首部圍井區應力云圖（工況6）

圖20　尾部右舷圍井區應力云圖（工況7）

圖21　尾部右舷圍井區應力云圖（工況8）

圖22　尾部右舷圍井區應力云圖（工況14）

圖23　尾部左舷圍井區應力云圖（工況15）

圖24　尾部左舷圍井區應力云圖（工況31）

8　結　論

圍井區結構是整個鉆井平臺結構的關鍵部位。本平臺圍井區選用高強結構鋼材，采用對接肘板和內嵌式補板提高圍井區結構的強度，優化焊接節點，而且節省材料，減輕船體質量，提高圍井區整體的結構強度。圍井區結構強度通過有限元計算表明滿足規范要求，已獲得相關船級社認可并在實際設計中得到應用。本文為圍井區的結構設計提供了較好的參考依據。

［1］ 中國船級社.海上移動平臺入級規范［M］.北京：人民教育出版社，2012.

［2］ 劉曄，張曉宇，張秀巖，等.“遼河一號”風機安裝船結構設計［J］. 船舶，2015（4）：64-70.

［3］ 中國船級社.材料與焊接規范［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［4］ 邢金有.肘板連接的極限強度分析［J］.中國造船，1999（2）：69-73.

［5］ 黃一，欒林昌，張崎.自升式平臺主船體結構強度分析［J］. 船海工程，2011（6）：125-128.

［6］ 朱亞洲，孫承猛，王凱，等. 風暴條件下自升式平臺樁腿強度對節距敏感性分析研究［J］.船舶，2015（5）：51-58.

［7］ DNV. Recommended Practice DNV-RP-C205 Environmental Conditions Environmental Loads［S］. 2012.

［8］ 張津寧，吳劍國. 船體梁極限強度非線性有限元計算方法研究［J］.船舶，2015（4）：71-76.