自升式服務(wù)平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉玉坤

（交通運(yùn)輸部 煙臺(tái)打撈局，山東 煙臺(tái) 264012）

自升式服務(wù)平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉玉坤

（交通運(yùn)輸部 煙臺(tái)打撈局，山東 煙臺(tái) 264012）

樁靴作為自升式平臺(tái)的重要結(jié)構(gòu)之一，在整個(gè)平臺(tái)的就位和作業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。針對(duì)350 ft自升式多功能服務(wù)平臺(tái)的2種樁靴結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用MSC Patran和Nastran建立有限元模型，依據(jù)美國(guó)船級(jí)社相關(guān)規(guī)范對(duì)不同工況下2種不同形式樁靴的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，并分別對(duì)2種樁靴的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，并提出一些可行性建議。

自升式；生活平臺(tái)；樁靴

0 引 言

隨著海洋石油開發(fā)過程日趨完善，導(dǎo)管架及固定平臺(tái)建造、平臺(tái)設(shè)施檢修和油田增產(chǎn)等海上作業(yè)愈發(fā)重要。由于完成這些作業(yè)均需多功能服務(wù)平臺(tái)的支持，因此多功能服務(wù)平臺(tái)具有廣闊的市場(chǎng)前景[1]。

樁靴是自升式海洋平臺(tái)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)保證平臺(tái)穩(wěn)定具有決定性作用[2]。由此，針對(duì)在某海域350 ft（1 ft≈0.3048m）水深作業(yè)的自升式多功能服務(wù)平臺(tái)，對(duì)2種不同形式的樁靴進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和優(yōu)化。由于該平臺(tái)入級(jí)美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS），因此依據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范對(duì)2種結(jié)構(gòu)形式的樁靴進(jìn)行強(qiáng)度校核與對(duì)比分析，得出較優(yōu)的樁靴結(jié)構(gòu)。

1 樁靴型式概述

2 有限元模型

該平臺(tái)樁靴采用的材料主要為ABS-AH36和ABS-DH36，其中：板厚<19mm的材料采用ABS-AH36；板厚>19mm的材料采用ABS-DH36。這2種鋼材的屈服強(qiáng)度 ss=355MPa，彈性模量 E= 2.06′ 105，泊松比m=0.3，質(zhì)量密度 r= 7.85′ 10-9t/mm3，許用應(yīng)力 s =319.8MPa，細(xì)網(wǎng)格(50′50)402.9MPa。根據(jù)

aABS相關(guān)規(guī)范，組合載荷安全系數(shù)為1.11。

該平臺(tái)設(shè)計(jì)的樁靴運(yùn)用MSC Patran和Nastran軟件進(jìn)行建模，樁靴結(jié)構(gòu)中所有的板殼、艙壁和樁腿連接處肘板均用4節(jié)點(diǎn)板單元進(jìn)行模擬，所有的加強(qiáng)筋、扶強(qiáng)材及T型材面板均用2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并考慮偏心。2種樁靴的有限元模型見圖2和圖3。

3 設(shè)計(jì)工況

根據(jù)ABS相關(guān)規(guī)范，針對(duì)2種樁靴分別計(jì)算以下3種工況：

1) 預(yù)壓工況。考慮到樁靴從接觸海底表面到完全貫入的過程中，其受力面積應(yīng)從樁靴最小接觸面積逐漸變化到最大投影面積，為保證樁靴作業(yè)過程的安全，選取風(fēng)暴或作業(yè)狀況下的最大垂向支反力作為預(yù)壓載力，并考慮1.08的安全系數(shù)。

2) 偏心工況。考慮到樁靴可能受到底部不確定因素的影響，樁靴及樁靴與樁腿的連接處所能承受的最大預(yù)壓力均勻分布在50%的樁靴最大投影面積上。

3) 正常作業(yè)和風(fēng)暴自存工況。為在風(fēng)暴來臨時(shí)保證整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定和安全，樁靴設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)能承受風(fēng)暴情況下的最大水平力、支反力和下導(dǎo)軌處最大彎矩值的35%[3]。

具體預(yù)壓力及載荷見表1，工況統(tǒng)計(jì)見表2。

對(duì)于智能船舶分布式數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)而言，合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理不僅能提高船舶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，而且能較大地提高數(shù)據(jù)的利用效率。例如智能能效管理，由于能效管理數(shù)據(jù)模型影響因子的復(fù)雜性，直接對(duì)相關(guān)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和管理不僅會(huì)耗費(fèi)數(shù)據(jù)庫(kù)管理資源,而且會(huì)大大降低能效管理方案的可靠性。因此，合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理也是智能船舶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)必不可少的環(huán)節(jié)，將其與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合,共同助力智能船舶數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的高效發(fā)展。

表1 預(yù)壓力及載荷

表2 工況統(tǒng)計(jì)

4 邊界條件

為模擬平臺(tái)在預(yù)壓、偏心和風(fēng)暴工況下的邊界條件，取樁靴頂部以上樁腿3m處施加簡(jiǎn)支邊界條件，即

5 強(qiáng)度分析

通過MSC Patran和Nastran建模、計(jì)算和求解，得到2種樁靴在不同設(shè)計(jì)工況下的應(yīng)力分布及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)（見表3）。由表3可知，2種樁靴的強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且應(yīng)力強(qiáng)度相當(dāng)。

表3 應(yīng)力分布及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)上述2種結(jié)構(gòu)形式樁靴的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

1) 2種樁靴應(yīng)力較大的工況均為L(zhǎng)C04，因此樁靴中間部分的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以特別加強(qiáng)。

2) 偏心工況時(shí)對(duì)樁靴與樁腿連接處的大肘板強(qiáng)度的要求較高，此處應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。此外，方案a方形樁靴在樁靴與樁腿連接的大肘板處易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部應(yīng)力值過大；方案b圓形樁靴應(yīng)力分布比較均勻。圖4和圖5分別給出LC04工況（即應(yīng)力最大的偏心工況）下樁靴內(nèi)部應(yīng)力分布及大肘板處應(yīng)力分布。

3) 方案b圓形樁靴的整體質(zhì)量相比方案a小19 t左右，因此從結(jié)構(gòu)有效性方面看，方案b的圓形樁靴比較好。

4) 從施工工藝方面看，方案a方形樁靴比方案b圓形樁靴更易于施工。

6 板格屈曲分析

這里的“板格”系指除周界以外無任何骨材和加強(qiáng)構(gòu)件的板材。用簡(jiǎn)化的方法求解板格的屈曲，共分為以下3個(gè)步驟[4-5]：

1) 求解臨界屈曲應(yīng)力，根據(jù)板格受力形式（如短邊受壓、長(zhǎng)邊受壓及受剪力等）選擇相應(yīng)的理論公式；

2) 對(duì)理想彈性屈曲應(yīng)力進(jìn)行塑性修正，根據(jù)板格在單軸應(yīng)力作用下的x軸、y軸的臨界屈曲壓應(yīng)力和臨界屈曲剪應(yīng)力選擇合適的理論公式；

3) 將臨界屈曲應(yīng)力與衡準(zhǔn)相比較，結(jié)果<1則滿足規(guī)范要求。

圓形樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈發(fā)射狀，板格大小比方形樁靴更均勻。由分析結(jié)果可知，圓形樁靴的屈曲因子變化幅度小，反映出圓形樁靴結(jié)構(gòu)相比方形樁靴結(jié)構(gòu)受力更勻稱。分別選取2種類型樁靴上表面大小相似的2個(gè)板格，具體計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 板格屈曲因子

7 結(jié) 語

由以上分析可知，在進(jìn)行樁靴整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮對(duì)樁靴中部以及樁腿與樁靴連接大肘板處進(jìn)行加強(qiáng)，避免應(yīng)力過度集中。此外，在選擇樁靴類型時(shí)，若考慮減小平臺(tái)整體質(zhì)量，則建議選擇圓形樁靴；若考慮要降低施工難度，則建議選擇方形樁靴。

[1] 胡安康，郭宇. 400 ft水深自升式平臺(tái)樁靴強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 船舶工程，2012 (6): 82-84.

[2] 唐文獻(xiàn)，秦文龍，張建，等. 自升式平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)造船，2013, 54 (3): 78-84.

[3] American Bureau of Shipping (ABS). Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2015.

[4] American Bureau of Shipping (ABS). Guide for buckling and ultimate strength assessment for offshore structure[S]. 2014.

[5] 李兵，袁琪，吳曉源，等. 五萬噸級(jí)散貨船壓載水艙強(qiáng)度分析和板格屈曲計(jì)算[J]. 造船技術(shù)，2006 (1): 25-27.

Design Optim ization for the Spudcan Structure of Jack-up Service Platform

LIU Yu-kun
（Yantai Salvage Bureau of the M inistry of Transport, Yantai 264012, China）

Spudcan is one of the important structures of jack-up platform, which plays a vital role in the positioning and operation of the platform. Based on the two spudcan structures of the 350ft multi-function jack-up service platform the finite element models are established w ith MSC-PATRAN & NASTRAN to assess the strength of these two spudcan structures according to ABS regulations, where the weight of the two spudcan structures are also counted. Suggestions on the design optim ization are put forward after the calculation results are analyzed and compared.

jack-up; accommodation platform; spudcan

U674.381；TE951

A

2095-4069 (2017) 03-0023-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.005

2016-09-26

劉玉坤，男，高級(jí)工程師，1963年生。1985年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)輪機(jī)管理專業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備管理和船舶建造工作。