海洋平臺極限強度分析的有限元方法

蘭海臣　王建濤　顧瞿飛

摘要：勘探、開采海洋石油要應用大型海洋石油平臺。海洋平臺設計制造過程中的極限強度分析是重要內(nèi)容，欲得到準確的分析結(jié)果必須采用正確的分析方法和手段。文章采用某一平臺算例，利用大型有限元分析軟件建立模型，在規(guī)范要求的環(huán)境組合下進行極限強度分析，得出計算結(jié)果，可以為平臺設計制造做指導。

關鍵詞：海洋平臺；極限強度；有限元；石油勘探；石油開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2017）10-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.006

1 概述

能源是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油的需求量日益提高，同時陸地石油不斷減少，海洋石油開發(fā)成為熱點。平臺工作水深不斷增加，傳統(tǒng)海洋平臺運動性能和定位方式難以滿足要求。固定式平臺因自重和造價等因素也不能適應深海環(huán)境，所以研發(fā)新型的適應深海的浮式海洋平臺。分析、設計、制造能適應多種水深、多種工作環(huán)境的海洋平臺十分必要。近年來國內(nèi)外學者對平臺的設計研究較多，而對平臺的結(jié)構(gòu)強度及可靠性分析不夠，而且多數(shù)研究僅限于簡單板、加筋板或固定式平臺結(jié)構(gòu)，對平臺結(jié)構(gòu)的復雜的節(jié)點結(jié)構(gòu)、關鍵的橫撐構(gòu)件等極限強度研究不夠。

本文將利用船體有限元分析方法，根據(jù)相關資料采用大型通用有限元軟件對平臺的整體結(jié)構(gòu)進行有限元模擬，按照結(jié)構(gòu)的實際情況確定有限元網(wǎng)格的規(guī)模和單元的類型，建立結(jié)構(gòu)有限元模型。

2 環(huán)境載荷

對于工作地點在大海中的海洋石油平臺經(jīng)受的外界環(huán)境載荷主要包括風、波浪、海流、冰以及地震海嘯等，本文主要考慮風、波浪和海流三大主要環(huán)境載荷。

2.1 風載荷

海洋結(jié)構(gòu)物設計過程中，風載荷對穩(wěn)性、定位系統(tǒng)和局部結(jié)構(gòu)強度等的影響必須考慮。目前工程界對脈動風的描述，一般有穩(wěn)定部分和變動部分。海工界經(jīng)常使用的是NPD譜和API譜。

2.2 海流載荷

海流存在于距離海平面的一定深度，因此對于水下構(gòu)件以及海底構(gòu)件會產(chǎn)生力的作用，同時影響著平臺方位的選擇以及船舶靠岸等。

潮汐流和風浪流是海流兩種類型，前者是由于天體運動形成的引潮力引起的，后者是由于氣象、水文等因素引起的。余流的主要組成部分是風海流。

對于海洋平臺所受的風和流載荷，通常是通過風動試驗來取得其載荷的大小。

2.3 波浪載荷

海洋結(jié)構(gòu)物在波浪作用下產(chǎn)生的作用效應有：（1）拖曳力作用，這是由于流體不是理想流體而引起的粘滯效應；（2）慣性力作用，這是由于附加質(zhì)量效應引起的；（3）散射效應，由于入射波受到結(jié)構(gòu)物阻礙引起的；（4）自由表面效應。

結(jié)構(gòu)物界面的特征尺寸和波長是影響波浪載荷對于結(jié)構(gòu)物作用的重要影響因素。當兩者之比小于等于0.2時，主要考慮附加質(zhì)量效應和粘滯效應；當二者之比大于0.2時，主要考慮繞射效應、附加質(zhì)量效應和粘滯效應。其計算原理也有所不同，Morison方程用于前種情況下的波浪力計算，三維勢流理論用于后者波浪力的計算。

根據(jù)工作經(jīng)驗以及相應船級社規(guī)范規(guī)定，最主要關心的平臺波浪載荷的六個力。它們分別是：浮箱間平臺撕裂力（Split force between pontoons）：FS；縱向剪切力（Longitudinal shear force between the pontoons）：FL；橫向水平軸的扭矩（Torsion moment about a transverse horizontal axis）：Mt；甲板位置的縱向加速度（Longitudinal acceleration of deck mass）：aL；甲板位置的橫向加速度（Transverse acceleration of deck mass）：aT；甲板位置的垂向加速度（Vertical acceleration of deck mass）：aV。

由于大量的鉆井和起重等設備與平臺甲板可變載荷集中在甲板箱上，而且甲板上質(zhì)量的加速度會在甲板箱與立柱，立柱與浮箱之間的剪力以及相應的彎矩，所以甲板箱上質(zhì)量的慣性力是平臺總體結(jié)構(gòu)強度和局部強度校核的重要載荷之一。

3 算例模型

3.1 平臺模型

本文運用有限元分析軟件進行建模，模型中運用板單元和梁單元來模擬平臺的主要結(jié)構(gòu)。運用Compartment和Equipment單元來模擬平臺的壓載水，其中部分平臺質(zhì)量以及平臺的調(diào)平是通過Equipment單元來實現(xiàn)。對平臺的水動力進行分析，本算例平臺的三維結(jié)構(gòu)模型布置的主要尺寸參數(shù)如下：浮箱長90米，浮箱寬15.2米，浮箱高7.6米，雙浮箱外板間距71米，主甲板高度36.5米，甲板箱高度30.5米，大立柱直徑10.6米，小立柱直徑9.7米，工作吃水19.81米，自存吃水15.24米，拖航吃水9米。有限元模型包括面元模型和Morison模型，其中面元模型運用繞射理論來求解，Morison模型是運用Morison方程來求解。由于面元模型與Morison模型在浮箱與橫撐部分重疊，為了不影響到模型總的排水體積，并能夠正確地運用Morison模型來修正平臺的粘性阻尼，把Morison模型尺寸進行了縮小100倍，而拖曳力系數(shù)進行相應放大。

3.2 環(huán)境模型

自存工況（Ultimate Limit States，ULS）是指平臺能夠承受的最大環(huán)境載荷。對于自存工況環(huán)境組合應不少于百年一遇環(huán)境條件。根據(jù)挪威船級社DNV-OS-C101規(guī)范中的規(guī)定，自存工況包含下面不同環(huán)境條件的組合。

本文根據(jù)DNVGL-OS-C103 Structureal design of column stabilised units–LRFD method中的規(guī)定，平臺的極限強度分析（Ultimate Limit States，ULS）中載荷系數(shù)為兩種工況組合ULS-a與ULS-b應該進行考慮，其中ULS-a側(cè)重于考慮平臺的靜載，而ULS-b側(cè)重考慮了平臺的環(huán)境載荷。

對于結(jié)構(gòu)屈服強度校核時，ULS工況下結(jié)構(gòu)的材料系數(shù)取1.15。對于屈曲強度校核與螺栓連接的材料系數(shù)以及焊接處的材料系數(shù)在ULS工況下，見相關的規(guī)范。

進行模擬分析平臺運動響應時，半潛式平臺與錨泊系統(tǒng)之間的耦合作用也需要進行考慮，這是目前工程界公認的做法。

4 結(jié)語及展望

極限載荷校核是根據(jù)DNV相關規(guī)范執(zhí)行的。如圖可以看出除了熱點及有限元引起的局部應力奇異，整體等效應力都在許用應力范圍內(nèi)。高應力區(qū)主要集中在月池附近的梁和主甲板上。

圖1和圖2是從軟件中掃描出的最大等效應力。ULS_b的應力結(jié)果偏大，故以ULS-b情況為主。

通過對海洋平臺極限強度的建模分析，根據(jù)計算結(jié)果可以看出浮箱結(jié)構(gòu)的等效應力都在許用應力的范圍內(nèi)，除了局部的硬點外平臺的總體結(jié)構(gòu)強度能夠滿足規(guī)范要求，針對結(jié)構(gòu)硬點可以再進行細化分析。

文中研究內(nèi)容與成果對半潛式平臺結(jié)構(gòu)設計具有重要參考價值，對工程項目具有很好的指導作用。

參考文獻

[1] 周國平.對接國家戰(zhàn)略，推進上海海洋工程產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展[J].船舶與海洋工程，2014，（2）.

[2] 鮑瑩斌，李潤培，顧永寧.張力腿平臺系索疲勞可靠性研究[J].上海交通大學學報，2000，24（1）.

[3] 許濱，申仲翰.海洋導管架平臺的極限強度分析[J].海洋工程，1994，12（3）.

基金項目：南通航運職業(yè)技術學院2015年科技類青年專項課題“基于ANSYS的張力腿平臺建模及總體強度分析”（項目編號：HYKJ/2015QN02）。

作者簡介：蘭海臣（1983-），男，遼寧撫順人，南通航運職業(yè)技術學院航海系講師，碩士，研究方向：船舶與海洋工程。

（責任編輯：黃銀芳）