基于SACS的半潛平臺在位分析

陳邦敏，張 暉，王朝陽，付殿福

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

1 主要分析流程

用SACS進行半潛平臺組塊在位強度分析的主要難點是如何簡化船體的模型，并合理恢復船體所受到的環境載荷。由于設計波法用于半潛平臺設計已經有很多先例，是一種成熟的做法。因此采用AQWA對半潛平臺進行整體性能分析，得出影響半潛平臺主要敏感的設計波，并求出在每個設計波下船體單元所受到的波壓力以及整體結構受到的加速度。在SACS中對船體模型進行合理的簡化，將船體單元AQWA受到的波壓力進行荷載傳遞，傳遞到SACS的桿件節點上，同時恢復對應的整體結構加速度，就得到了SACS模型中整個帶環境載荷的模型，為進行桿件校核提供了基礎。整體的流程主要參見圖1 SACS用于半潛平臺分析流程[1-2]。

2 模型的簡化以及等效

SACS的主要目的是進行上部組塊的強度校核，為了將船體所受到的波浪力進行恢復，同時為了進一步簡化計算，需要將船體結構進行簡化，簡化的原則是滿足環境力的恢復和不影響計算結果?；谶@2個原則，在SACS中通過BEAM單元來模擬船體。為了不影響組塊與船體之間的計算結果，水面以上部分船體安裝船體的實際模型建模，如圖2和圖3所示。

為了使簡化更合理，簡化的beam桿件需要盡可能與船體剛度一致，在SACS中需要計算得出Hull的8個參數：

Zdimension：Z向尺度，

Ydimension：Z向尺度，

圖1 SACS用于半潛平臺分析流程Fig.1 SACS for semi submersible platform analysis process

圖2 SACS整體模型Fig.2 SACS integral model

圖3 局部船體模型Fig.3 Model of local hull

Yshear area：Y剪切面積，

Zshear area：Z剪切面積，

Axial area：軸向面積 所有截面面積之和，

Torsional moment of inertia：扭轉慣性矩，

Moment of inertia aboutY：IyyY軸慣性矩，

Moment of inertia aboutZ：IzzZ軸慣性矩。

其中Z，Y的尺度為column的尺度，這里取21 m。Y和Z的剪切面積分別每個方向的剪切面積，按照船體的結構圖，由于船體上有很多bulb板，因此只需要簡化考慮剪切面積，Y向剪切面積只考慮沿著Y向布置的板面積，Z向剪切面積只考慮沿著Z向布置的板面積，如圖4所示。

圖4 截切面積的計算Fig.4 Calculation of the shear area

扭轉慣性矩的計算，由于column的結構非常復雜，但是在計算扭轉剛度時只需要計算2個最大閉環的扭轉剛度，其他閉環的影響剛度較小，如圖5所示。

圖5 扭轉剛度的計算Fig.5 Calculation of torsional stiffness

Iyy，Izz慣性矩的計算，可以通過簡單力學公式或AUTOCAD畫出的船體結構的閉合區域，可以方便地求出截面的慣性矩。

通過這些相關參數的求取，可以使得beam桿件基本具備船體截面的力學性能，不至于影響上部結構的強度校核。

3 載荷的施加

3.1 環境載荷

在AQWA模型中，船體單元是面單元，如圖6所示，環境載荷是每個單元上的面壓力。在SACS模型中由于水面以下的單元模擬為beam單元，需要將面單元上的壓力轉換到桿件短點的集中力，其原理如圖7所示。將AQWA模型中每個單元的面壓力f1，f2等找到SACS中對應beam單元最近的點，所有單元合理匯總到節點上得出合理F，同時若有微小的距離則會產生彎矩M。對應所有AQWA單元的所有面壓力匯總到beam單元的節點上之后，所有的環境力荷載則完整的傳遞到SACS模型中，但此時傳遞到SACS模型中的所有環境力只是帶了相位的一個時刻的每個單元所受到的環境力，在SACS環境文件中在每隔30°相位進行1個工況計算，即360°相位分為12個工況計算，則涵蓋一個波浪完整周期通過浮體每個單元的情況，保證了每一個單元所受到的環境力都能取到峰值[3-5]。

在傳遞了環境面壓力的同時，還需要把整體結構的運動也模擬在SACS模型中。在AQWA計算中，在輸出每個單元的面壓力的同時，也會輸出不同設計波不同浪向對整體模型重心處參數的加速度，表1為不同波浪入射方向的整體加速度。整體加速度加在模型的重心處（COG），如圖8所示。

圖6 AQWA模型Fig.6 AQWA model

圖7 載荷的對應關系Fig.7 Corresponding relation of load

圖8 重心處的加速度Fig.8 Acceleration of COG

由于在頻域分析中和時域分析中加速度存在部分差異，如果時域分析中的加速度比頻域分析的加速度要大，需要在SACS的計算模型中補充兩者加速度的差值，保證組塊所受到的加速度是較大值。

3.2 船體相關載荷

為了保證整個系統的重量分布一致，在船體模型簡化完成之后，船體相關的質量也需要恢復。

壓載水的質量：需要根據船體實際的壓載艙的布置以及壓載水的量來施加壓載水的質量。

存儲物質量：在船艙中，除了壓載水，通常還存儲其他物質。在計算的過程中也需要根據實際情況考慮相關的重量。本計算考慮的重量主要包括凝析油、污油水、淡水、柴油等的質量。

表1 不同波浪入射方向的整體加速度Tab.1 The acceleration of the incident direction in different waves

船體的質量：由于船體模型是通過BEAM桿件簡化模擬的，因此船體的質量也需要考慮，通常將beam桿件的密度設為0，同時按照船體的質量分布情況將船體質量相應的分配到各個點上，保證最終的重量重心與原來的一致。

系泊和立管的質量：系泊纜和立管的質量也需要加在對應的位置。

3.3 組塊荷載

組塊的荷載與固定式平臺的組塊的荷載一致，通常包括機械、配管、活荷載等、未模擬的附屬結構荷載等，依據實際情況，總圖的布置施加相應的荷載。為了取保計算的保守性也防止項目后期有變更，通常最后會施加一項相對合理的余量。通常為了計算方便，最后可以將不同的荷載按照功能需求的不同組合，本實例組塊荷載如表2所示。

表2 組塊施加的荷載Tab.2 Topside load

4 SACS的計算流程

4.1 分析工況

本項目在位分析選取2種工況進行分析。

1）1-Year Cyclone：1年的颶風工況，操作工況。

2）100-Year Cyclone：100年的颶風工況，極端環境工況。

按照API RP 2A的要求，極端環境工況桿件的需用應力可以放大1/3[6]。

4.2 邊界條件

組塊合攏達到在位條件的過程如下：首先組塊通過吊裝在烏內與船體合攏，如圖9所示。組塊的主腿通過插尖導向與船體合攏（插尖見圖10），輔助腿直接坐在船體立柱頂部。組塊與船體對接完成并完成焊接之后吊裝火炬臂（見圖11），完成火炬臂的焊接，將半潛平臺拖到現場，安裝錨鏈（見圖12），達到在位條件。

圖9 組塊吊裝與船體合攏Fig.9 Integrated topsides and hull

圖10 船體上與組塊主腿對接的插接Fig.10 Cone between the main leg of topside and hull

圖11 吊裝火炬臂Fig.11 Flare boom lifting

圖12 半潛平臺就位后完成錨鏈系泊Fig.12 Mooring of a semi submersible platform

達到在位條件之后，整個系統的邊界通過彈簧模擬。

由于SACS的校核是線性疊加，按照組塊的實際合攏達到在位的過程，計算可以分為3步。

步驟1：計算船體與組塊的初始干重產生的應力；

步驟2：計算安裝火炬臂對結構產生的應力；

步驟3：計算環境力和設備操作重產生的應力；

最后將三者的應力疊加得到結構的總體應力情況。

由于在3步計算過程中，前兩步是合攏安裝過程，局部的邊界條件不一樣，步驟1～步驟3時的局部邊界說明如表3～表5所示。

表3 步驟1時局部邊界說明Tab.3 Local boundary description for step 1

表4 步驟2時局部邊界說明Tab.4 Local boundary description for step 2

表5 步驟3時局部邊界說明Tab.5 Local boundary description for step 3

4.3 校核結果

通過如上分析，在SACS里對組塊桿件以及節點進行規范校核。一年一遇操作工況校核結果如圖13所示。百年一遇極端工況校核結果如圖14所示。其中百年一遇極端環境條件情況下安裝API RP 2A規范要求，需要應力可以放大1/3。從計算結果可以看出，所有結構梁桿件的UC值均小于1，滿足規范要求。

5 結 語

本文通過AQWA和SACS相結合，通過AQWA計算半潛平臺所受到的環境力，在SACS中對半潛平臺進行模型簡化，并將環境力進行載荷傳遞到SACS模型中，在SACS模型中施加適當的相位，將環境力的大小以及其隨著波浪周期的變化完全恢復到模型中，使得在SACS中校核組塊桿件成為可能。充分應用了SACS軟件集成行業規范的優點，為半潛平臺組塊結構強度校核提供了一種方法，提高了設計工作者的效率。同時，在SACS中計算桿件強度時依據實際的組塊建造合攏過程，進行了分步計算，使得計算結果更為合理。

圖13 操作工況桿件校核結果Fig.13 Check results of operating condition

圖14 極端工況桿件校核結果Fig.14 Check results of extreme condition