半潛式平臺橫撐波浪抨擊載荷下結構強度分析

董 斌，陳凱旋，聶 焱，霍發力

(1. 武漢第二船舶設計研究院，湖北 武漢 420000；2. 江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；3. 江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003；4. Wood Group Mustang，上海 201206)

0 引 言

隨著油氣開采向深水發展，可運用在深水和超深水域的半潛式、TLP和Spar等浮式平臺得到了快速發展。在極端海況下，平臺受到波浪砰擊可能會導致平臺結構破壞，甚至人員傷亡事件，波浪抨擊載荷是平臺結構設計中必須考慮的因素之一。通常情況下，半潛式平臺要求在平臺設計自存工況下無負氣隙現象，即不會出現波浪砰擊現象。但是，平臺結構強度如果能滿足規范等相應的要求，平臺局部的波浪砰擊現象可以接受；而且這樣設計難度會大大降低，節約大量成本。所以從全面考慮來說，局部波浪砰擊可以接受更合理[1]。特別是橫撐這樣細長結構在波浪砰擊作用下，容易產生破壞。準確預報平臺橫撐在波浪砰擊下的響應對平臺的設計非常重要。

本文以典型雙浮體4立柱半潛式平臺為例，運用Ansys-AQWA軟件建立數值仿真模型，結合水池試驗和風洞試驗結果修正數值模型的阻尼系數、風和流載荷系數，準確模擬自存工況下風載荷、流載荷、波浪載荷以及全尺寸錨泊系統聯合作用的平臺橫撐的波浪砰擊現象，并結合平臺總體結構強度分析結果，對平臺橫撐進行結構強度分析。

1 平臺模型試驗和數值模型

1.1 模型試驗

通過平臺水池和風洞模型試驗的方法，得到更為準確的平臺承受的風、浪和流載荷。為了得到較好的準確值，風洞試驗模型與水池試驗模型相似比不同，水池試驗幾何相似比采用1:38.9，而風洞試驗模型采用1:130，如圖1所示。

圖1 水池試驗和風洞試驗模型Fig. 1 The test models of wave tanker and wind tunnel

通過水池試驗可以取得平臺的運動特性參數，為更準確修正模擬平臺水動力運動奠定基礎。為了得到平臺較為準確的風和流載荷，對平臺進行風洞試驗，進而得到平臺較準確的風和流載荷系數。

1.2 數值模型

運用大型有限元軟件Ansys創建平臺有限元模型，在Ansys-AWQA模塊中進行模擬平臺撐桿波浪砰擊載荷。平臺有限元模型及錨泊系統布置情況如圖2和圖3所示。

圖2 Panel單元模型Fig. 2 The panel model of platform

圖3 平臺錨泊系統布置Fig. 3 The mooring system arrangement of platform

通過創建Tubular和Disc單元來修正平臺結構的黏性阻尼，但是浮箱和立柱部分還要考慮其繞射和輻射，同時需要運用Panel 模型進行模擬。考慮到Morison單元承受的載荷與截面積尺寸成線性關系，所以把截面尺寸縮小為1/100，而計算載荷系數放大了100倍，這樣在平臺排水量影響非常有限的情況下，保證其拖曳力的載荷不變，圖4給出了平臺浮箱和立柱的Tubular和Disk單元。

圖4 Tubular單元、Disk單元模型Fig. 4 The Tubular, Disk elements model

1.3 橫撐波浪砰擊分析關注點

結合橫撐結構的特點，變直徑圓柱結構，因此在橫撐結構上，取相應的關注點位置進行考慮波浪砰擊，相應位置如圖5所示。

圖5 關注點位置Fig. 5 Location of interest points

2 數值模型與試驗對比

2.1 平臺運動固有周期

表1給出了在靜水中水池試驗測試和數值模型模擬的平臺固有周期。由結果可知，數值模擬和水池試驗中得到的平臺垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期非常相近。

表1 靜水工況下平臺運動固有周期Tab. 1 The natural periods of platform in still water

2.2 平臺運動響應

運用修正以后的數值模型，在平臺尾迎浪工況下，對平臺的縱搖和垂蕩響應進行模擬，模擬結果與水池試驗結果進行比較，結果如圖6和圖7所示。根據對比結果可知水池試驗與數值模擬平臺縱搖和垂蕩響應非常接近。

圖6 平臺縱搖運動響應比較Fig. 6 Comparison of pitch motion response

圖7 平臺垂蕩運動響應比較Fig. 7 Comparison of heave motion response

運用修改后的平臺數值模型，對試驗中的錨泊系統進行模擬。針對錨泊系統水平錨鏈張力Fx進行比較，結果如圖8所示。可以看出，錨泊系統的數值模擬與水池試驗非常相近，因此該修正以后的數值模型較為準確。

圖8 在X方向上錨泊系統的錨鏈張力比較Fig. 8 Comparison of mooring tension in X direction

3 橫撐結構強度分析

3.1 橫撐波浪砰擊載荷

在AQWA有限元軟件中，運用修正以后的數值模型，在時域范圍內計算橫撐與水質點的相對速度，計算過程中考慮了浮箱和橫撐的粘性阻尼等影響。

由于實際波浪的隨機性，本文對給定的海況又分別選用10段不同的隨機波浪，作為其子工況，根據規范要求[5]，時域模擬時間取3 h。假定半潛式平臺橫撐波浪砰擊載荷滿足Gumble分布，本文取10個子工況的90% Gumble值作為該工況下平臺橫撐波浪砰擊載荷。

在自存工況下，平臺橫撐上關注點與水質點的相對速度如表2所示。

表2 自存工況下關注點處的最大相對速度Tab. 2 The point location and maximum relative velocity in survival condition

Gumbel分布見圖9～圖11。自存工況中最大相對速度為5.583 m/s ，波浪砰擊載荷為82 269 N/m2。

3.2 平臺橫撐結構強度分析

3.2.1 平臺整體的有限元模型

在自存工況下，對平臺的橫撐結構進行強度校核，平臺總體結構模型如圖12所示。

3.2.2 平臺的ULS工況下忽略波浪砰擊載荷的分析結果

本部分僅考慮平臺在靜載作用下橫撐所承受的靜載荷和浮箱、立柱等承受的波浪載荷作用下橫撐所承受的動載荷。平臺在工況ULS-A和ULS-B的工況下，總體結構Von Mises應力如圖13所示；橫撐的應力如圖14所示。從結果可以看出，橫撐在ULS-A和ULSB的最大應力分別是237 MPa和300 MPa。

3.2.3 橫撐考慮波浪砰擊載荷后的屈服強度校核

根據平臺總體計算結果，運用Sesam軟件中Submodel模塊，考慮波浪砰擊載荷后對橫撐再進一步分析。橫撐的子模型和承受的波浪砰擊載荷，如圖15和圖16所示。根據運動響應計算的橫撐與水質點的相對速度，計算得到相應的波浪砰擊壓強，以靜載荷加載到子模型上。

圖9 自存工況Case01下的關注點相對與海面的相對速度Fig. 9 The relative velocitys of interest points and seasurface in case01 survival condition

圖10 點60001和點60002在自存工況下的相對速度的Gumbel分布Fig. 10 The relative velocitys of point60001 and point60002 in survival condition

分析結果如圖16所示。根據分析結果可以看出，在波浪砰擊載荷作用方向為0°的工況下，Von Mises應力達到最大，為347.2 MPa；由于超過許用應力309 MPa的范圍非常小，橫撐的屈服可以認為滿足規范要求。由應力分布圖可以看出，橫撐在考慮波浪砰擊載荷后應力超過150 MPa的面積比不考慮波浪砰擊載荷的情況下明顯增多，而且最大Von Mises應力由300 MPa增加到347.2 MPa，增加了15.7%。也就是說波浪砰擊載荷在橫撐上產生的應力很大，在設計過程中要充分考慮。

4 結 語

圖11 點60003和點60004在自存工況下的相對速度的Gumbel分布Fig. 11 The relative velocitys of point60003 and point60004 in survival condition

圖12 平臺整體結構模型Fig. 12 The structural model of the platform

圖13 平臺總體強度結果ULSA和ULSB-Vomises StressFig. 13 The ULSA and ULSB-Vonmises Stress results of global model

圖14 橫撐總體強度結果ULSA和ULSB Vomises StressFig. 14 ULSA and ULSB max Von-Mises stresses, [Pa]

圖15 0°和90°波浪砰擊載荷壓力示意圖Fig. 15 The wave slamming pressure load 0° and 90° directions

圖16 橫撐自存工況下0°和90°方向上波浪砰擊下的Von. StressFig. 16 The Von. Stress of brace in survival condition as slamming pressure 0° and 90° directions

結合DNV船級社規范要求，本文提出了半潛式平臺橫撐在波浪砰擊載荷下屈曲和屈服強度校核的一種較準確方法，該方法充分考慮了橫撐承受的靜載荷、波浪砰擊載荷、波浪載荷作用下橫撐所承受的動載荷。通過對半潛平臺橫撐結構的分析，可以看出波浪砰擊載荷在橫撐上產生了很大的應力，使得橫撐結構的最大Von.Mises Stress增加了15.7%，所以在半潛式平臺設計過程中，橫撐等細長結構的波浪砰擊載荷要準確考慮。本文研究內容為海洋平臺設計提供了有價值的參考。