Truss Spar平臺(tái)在浮卸作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

楊 玥，楊建民，胡志強(qiáng)，樊之夏，孫偉英

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

Truss Spar平臺(tái)在浮卸作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

楊 玥1，楊建民1，胡志強(qiáng)1，樊之夏2，孫偉英2

(1.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

在桁架式深吃水立柱式平臺(tái)(Truss Spar)運(yùn)輸作業(yè)的浮卸過程中，半潛駁船不斷壓載下潛直到Truss Spar平臺(tái)自浮后拖離駁船。針對(duì)浮卸作業(yè)的雙浮體狀態(tài)，提出Truss Spar平臺(tái)在與半潛駁船發(fā)生接觸情況下的載荷計(jì)算方案并進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平評(píng)估?；谌S勢流理論及SESAM軟件，考慮平臺(tái)及半潛駁船雙浮體之間的水動(dòng)力相互影響，首先對(duì)雙浮體系統(tǒng)進(jìn)行頻域下求解，得到波浪誘導(dǎo)載荷;然后在時(shí)域下求解波浪中雙浮體的運(yùn)動(dòng)方程及產(chǎn)生的接觸力;最后將這兩種載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行線性疊加，得到Truss Spar平臺(tái)在波浪誘導(dǎo)載荷及接觸力聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平。對(duì)比不同波浪方向及周期下的接觸力結(jié)果，研究Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平及高應(yīng)力區(qū)域位置特點(diǎn)，對(duì)總體強(qiáng)度水平進(jìn)行評(píng)估。

桁架式深吃水立柱式平臺(tái);浮卸;多浮體系統(tǒng);載荷求解;結(jié)構(gòu)分析

隨著深海油氣田的開采，Spar平臺(tái)作為一種新型深水生產(chǎn)平臺(tái)，數(shù)量迅速增長并發(fā)展為三代，分別為傳統(tǒng)型Spar平臺(tái)(Classic Spar)、桁架式Spar平臺(tái)(Truss Spar)以及多柱式Spar平臺(tái)(Cell Spar)。其優(yōu)越的性能和經(jīng)濟(jì)效益使研究Spar平臺(tái)技術(shù)成為最具吸引力的方向之一［1-2］。

Spar平臺(tái)安裝前，需依次進(jìn)行以下幾個(gè)施工過程:拖拉裝船(load-out)、駁運(yùn)，即干拖(dry-tow)、浮卸(float-off)、濕拖(wet-tow)、扶正(upending)及上部模塊的安裝(float over)［3］。國內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)Spar平臺(tái)運(yùn)輸過程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究和評(píng)估，Wang Jin系統(tǒng)地提出了Truss Spar平臺(tái)在駁運(yùn)過程的驗(yàn)證性分析［4］;并且對(duì)Truss Spar平臺(tái)在濕拖中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞問題進(jìn)行了深入討論［5］。Abraham M對(duì)Spar平臺(tái)在駁運(yùn)中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和屈曲性能提出了嚴(yán)密的評(píng)估方法［6］。

在上述各過程中，不論從Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析角度還是從施工難度及技術(shù)掌握水平來說，浮卸作業(yè)都相對(duì)較為困難。浮卸施工的主要過程為:解開固定于半潛駁船上的緊固裝置與支架，將其固定于Spar平臺(tái);確保海況及環(huán)境條件在48小時(shí)內(nèi)符合浮卸作業(yè)要求后，半潛駁船載著Spar平臺(tái)壓載下潛，此時(shí)半潛船和Spar平臺(tái)可看作單浮體系統(tǒng);當(dāng)Spar平臺(tái)自浮于水中后，駁船繼續(xù)壓載下潛一段距離，此階段二者為雙浮體系統(tǒng);最后用拖輪將Spar平臺(tái)從側(cè)方拖離半潛船。浮卸作業(yè)時(shí)，兩浮體的垂蕩、縱搖以及橫搖運(yùn)動(dòng)造成雙浮體之間可能發(fā)生接觸，接觸力對(duì)兩個(gè)浮體具有不可忽視的顯著影響，這一階段是浮卸作業(yè)中最危險(xiǎn)的狀態(tài)。在某些特殊情況下，例如海況突然惡化超出浮卸條件，雙浮體之間的接觸力增大，可能導(dǎo)致Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞。因此，進(jìn)行浮卸階段Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，掌握此過程強(qiáng)度分析方法，得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平的數(shù)值解是有重要意義的。

以一墨西哥灣的典型Spar平臺(tái)為研究對(duì)象，以半潛駁船為載體，針對(duì)Spar平臺(tái)浮卸作業(yè)雙浮體階段提出載荷求解及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的方案與流程。將浮卸過程所受載荷簡化為兩個(gè)獨(dú)立部分，一為作用在整個(gè)Spar平臺(tái)表面的波浪壓力，即波浪誘導(dǎo)載荷，一為作用在平臺(tái)局部的雙浮體碰撞接觸力;前者引起平臺(tái)整體彎扭變形，后者影響平臺(tái)局部應(yīng)力分配。如何正確求解Spar平臺(tái)受到的波浪力及雙浮體碰撞接觸力是這里研究的關(guān)鍵。在頻域下計(jì)算得到作用在Spar平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)幅值算子(RAO)及波浪誘導(dǎo)載荷，加載到結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行準(zhǔn)靜力分析;在時(shí)域下計(jì)算得到浮體的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷及碰撞接觸力時(shí)歷，將碰撞接觸力施加在Spar平臺(tái)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行靜力計(jì)算;最后進(jìn)行結(jié)果合并，得到Spar平臺(tái)在浮卸作業(yè)雙浮體階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果;進(jìn)行碰撞接觸力關(guān)于波浪方向及頻率的敏感性分析;對(duì)平臺(tái)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行比較，對(duì)浮卸作業(yè)中Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié)和評(píng)估。

1 計(jì)算方法介紹

1.1 計(jì)算流程

浮卸作業(yè)雙浮體階段，Spar平臺(tái)完全依靠自己的浮力漂浮。在這一時(shí)刻，半潛船和Spar平臺(tái)是兩個(gè)浮體。在波浪載荷的作用下，兩個(gè)浮體在垂蕩、橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng)下可能發(fā)生碰撞接觸，產(chǎn)生一定的碰撞接觸力。無論半潛船還是Spar平臺(tái)，都承受著兩種載荷作用，一種是波浪誘導(dǎo)載荷作用，另一種是在某一時(shí)刻的碰撞接觸力作用。文中對(duì)Spar平臺(tái)分別加載這兩種載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。圖1簡要介紹了浮卸過程載荷求解及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析的方案及流程。

圖1 浮卸操作結(jié)構(gòu)分析方法流程Fig.1 Guideline of the analysis approach during the float-off operation

載荷求解基于三維勢流理論，首先對(duì)波浪中的多浮體系統(tǒng)進(jìn)行頻域下的水動(dòng)力分析，考慮多浮體之間的水動(dòng)力相互影響用邊界元法進(jìn)行波浪輻射勢、繞射勢求解、浮體運(yùn)動(dòng)求解及表面波浪壓力積分，得到Spar平臺(tái)及駁船的六自由度運(yùn)動(dòng)RAO及波浪誘導(dǎo)載荷RAO等水動(dòng)力性能系數(shù)。得到這些參數(shù)后，一方面，將頻域分析得到的水動(dòng)壓力、靜水壓力及六自由度運(yùn)動(dòng)慣性力傳遞到Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型的表面節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)載荷加載，然后進(jìn)行平臺(tái)在波浪誘導(dǎo)載荷作用下的準(zhǔn)靜態(tài)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，這一步驟稱為總體強(qiáng)度分析;另一方面，以經(jīng)典傅立葉變換方法進(jìn)行頻域向時(shí)域的轉(zhuǎn)換，求解時(shí)域內(nèi)的雙浮體運(yùn)動(dòng)方程，得到Spar平臺(tái)和半潛駁船的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷、支架接觸力時(shí)歷。以接觸力垂向合力為標(biāo)準(zhǔn)，找到總力最大時(shí)刻的浮體相互接觸力。將這組碰撞接觸力作用在Spar平臺(tái)與支架相接的對(duì)應(yīng)位置處進(jìn)行靜力計(jì)算，得到兩個(gè)浮體在接觸力作用下的應(yīng)力水平，這一步驟稱為局部接觸力強(qiáng)度分析。最后，將總體強(qiáng)度分析結(jié)果和局部接觸力分析結(jié)果以線性疊加方法進(jìn)行組合，即可得到Spar平臺(tái)在浮卸作業(yè)雙浮體階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果，總結(jié)出主要高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力水平，對(duì)這種作業(yè)方式條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性，做出一定評(píng)價(jià)。利用WADAM和SIMO軟件完成頻域和時(shí)域下的載荷求解，利用SESAM軟件完成Spar結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算。

1.2 多浮體系統(tǒng)求解數(shù)值方法

Faltinsen，Michelsen，Van Oortmerssen［7］，Loken［8］，Duncan［9］基于三維勢流理論對(duì)多浮體之間的水動(dòng)力相互影響及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的進(jìn)行求解，Korsmeyer［10］在此基礎(chǔ)上忽略自由表面效應(yīng)得到了浮體之間碰撞接觸力時(shí)歷。Inoue，Islam［11］and Buchner［12］建立了多浮體數(shù)值計(jì)算模型并以用三維源匯分布法在頻域及時(shí)域下求解水動(dòng)力響應(yīng)及多浮體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)?；谌S勢流理論建立多浮體運(yùn)動(dòng)方程，考慮多浮體系統(tǒng)間水動(dòng)力相互影響并利用三維源匯分布法進(jìn)行浮體表面動(dòng)壓力積分，在頻域及時(shí)域下求解多浮體運(yùn)動(dòng)方程，得到浮卸作業(yè)雙浮體階段的載荷。

假定有M個(gè)浮體在波浪上在平衡位置附近作微幅簡諧振蕩運(yùn)動(dòng)，建立笛卡爾空間固定坐標(biāo)系O-xyz，原點(diǎn)位于未擾動(dòng)的自由水面，軸Oz垂直于平靜水面向上。坐標(biāo)系定義如圖2。

圖2 多浮體系統(tǒng)和空間固定坐標(biāo)系Fig.2 Multi-body floating system and fixed coordinate system

對(duì)于一般的有限水深的情況，用斯托克斯(Stokes)攝動(dòng)展開式求解三維勢流理論下的多浮體完整邊值問題。其中，一階邊值問題即為線性勢流理論的邊值問題:

即Sommerfeld輻射條件。

根據(jù)線性假定，可將速度勢分解為入射勢與繞射勢和輻射勢:

根據(jù)面元法數(shù)值求解得到總的速度勢之后，然后計(jì)算得到各浮體表面的動(dòng)壓力分布，第m個(gè)浮體的表面動(dòng)壓力分布:

對(duì)于多浮體系統(tǒng)，第m個(gè)浮體的運(yùn)動(dòng)方程:

式中:μmm，λmm表示m浮體運(yùn)動(dòng)時(shí)的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)矩陣;μml，λml表示系統(tǒng)中第l浮體單獨(dú)運(yùn)動(dòng)時(shí)m浮體的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)矩陣;Mm，Cm分別為第m個(gè)浮體的質(zhì)量矩陣、恢復(fù)力矩陣與所受波浪力。式中只有各個(gè)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)為未知數(shù)，其他各項(xiàng)均可通過速度勢求得。解式(8)中M個(gè)線性方程，則可以得到多浮體系統(tǒng)中各浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，頻域下的波浪誘導(dǎo)載荷以進(jìn)行總體強(qiáng)度分析。

將頻域下的運(yùn)動(dòng)方程由傅立葉變換及Cummins脈沖理論進(jìn)行時(shí)域分析，每個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)方程都可寫作:

但是式(15)中的T矩陣含多個(gè)0向量列，條件數(shù)大，對(duì)測量誤差敏感，直接使用式(15)中的T矩陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)誤差辨識(shí)的效果較差，需要通過結(jié)構(gòu)誤差辨識(shí)性分析對(duì)T矩陣進(jìn)行降維處理，輸出辨識(shí)的結(jié)構(gòu)誤差項(xiàng)。

式中:m和A∞分別為Spar平臺(tái)質(zhì)量和無窮頻率處的附加質(zhì)量矩陣;D1和D2分別為線性和二次阻尼矩陣;f為速度矢量函數(shù);K為靜水剛度矩陣;x為位移矢量;h(τ)為表征記憶效應(yīng)的時(shí)延函數(shù);q為激勵(lì)力矢量。在時(shí)域下求解，得到雙浮體六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷。

Spar平臺(tái)拖拉裝船及駁運(yùn)階段以9組支架支撐。浮卸作業(yè)準(zhǔn)備階段，支架與駁船解除，僅與Spar平臺(tái)相連。駁船下潛階段，駁船和支架間可能發(fā)生接觸，并通過支架傳遞到Spar平臺(tái)。因此，在計(jì)算中，將支架簡化為耦合彈簧單元以模擬兩個(gè)浮體之間的接觸［13］，該單元可同時(shí)考慮兩個(gè)浮體各自的運(yùn)動(dòng)，只傳遞壓力不傳遞拉力。求解時(shí)域下雙浮體運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，考慮此彈簧單元的阻尼對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 Spar平臺(tái)模型

選取某典型Truss Spar及半潛駁船作為研究對(duì)象，建立各自的三維水動(dòng)力模型及結(jié)構(gòu)有限元模型。Truss Spar的主尺度見表1。在浮卸過程中，Spar平臺(tái)水平放置，其水動(dòng)力模型由面元模型及Morison模型兩部分組成，如圖3所示。結(jié)構(gòu)模型如圖4～5所示，由68 260個(gè)單元組成，包括硬艙、軟艙、垂蕩板和桁架結(jié)構(gòu)上所有的板及主要的骨材。支架的分布及編號(hào)如圖6所示。整體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)定義3個(gè)邊界點(diǎn)，邊界點(diǎn)的位置及自由度的選擇以不限制平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自由變形且可以對(duì)整個(gè)剛體提供支持為原則;局部碰撞接觸力分析時(shí)，在Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)兩端提供彈性支持以減小邊界應(yīng)力集中，正確反映局部應(yīng)力水平。

圖3 Truss Spar平臺(tái)的水動(dòng)力模型Fig.3 Panel model and Morrison model of Truss Spar

圖4 Truss Spar的結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.4 Structural model of Truss Spar

圖5 Spar平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Detailed model of Truss Spar

圖6 支架分布及編號(hào)說明Fig.6 Arrangement of cradles

2.2 半潛駁船模型

半潛駁船的水動(dòng)力模型與Spar平臺(tái)模型建立方法一致，如圖7所示。模型尺寸為222 m×42 m×13.3 m(長×寬×深)，最大下潛深度為26.8 m。選擇最危險(xiǎn)的浮卸狀態(tài)，即Spar平臺(tái)剛剛自浮的時(shí)刻。此時(shí)半潛駁船和Spar平臺(tái)剛剛分離，接觸力最為顯著。在這一狀態(tài)下，半潛駁船下載吃水為21.78 m，排水量112 111 t。半潛駁船質(zhì)量模型即結(jié)構(gòu)有限元模型如圖8所示。組合后的雙浮體水動(dòng)力模型如圖9。

圖7 半潛駁船水動(dòng)力模型Fig.7 Panel model of semi-submersible barge

圖8 半潛駁船結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.8 Structural model of semi-submersible barge

圖9 雙浮體系統(tǒng)水動(dòng)力模型Fig.9 Hydro model of multi-body

2.3 環(huán)境參數(shù)及計(jì)算工況選擇

一般情況下，浮卸作業(yè)對(duì)現(xiàn)場環(huán)境條件的選擇要求極為嚴(yán)格，因此選擇實(shí)際施工中允許的最惡劣海況進(jìn)行計(jì)算，并且對(duì)碰撞接觸力進(jìn)行關(guān)于波向及周期的敏感性分析。從保守角度出發(fā)，假設(shè)最危險(xiǎn)工況時(shí)最大波浪誘導(dǎo)載荷與最大碰撞接觸力同時(shí)發(fā)生。表2對(duì)工況定義及各工況環(huán)境條件說明，其中總工況L101為波浪載荷工況D101和接觸力工況S101的組合，以此類推。

表1 Truss Spar平臺(tái)主尺度Tab.1 Scantling data of Truss Spar

表2 環(huán)境參數(shù)及工況定義Tab.2 Load case No.＆ parameters of environment

3 結(jié)果及討論

3.1 碰撞接觸力結(jié)果

根據(jù)以上理論及求解步驟，計(jì)算得到頻域下Spar平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)RAO及波浪誘導(dǎo)載荷RAO，圖10～12為Spar平臺(tái)垂蕩、橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng)的RAO。進(jìn)行波浪載荷的加載及結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜力分析得到只考慮波浪力情況下的總體強(qiáng)度分析結(jié)果，其中波浪隨機(jī)相位取令應(yīng)力結(jié)果最大的相位。

在時(shí)域下求解雙浮體運(yùn)動(dòng)方程，得到一小時(shí)下六自由度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷及彈簧單元受力時(shí)歷。表3中列出了各工況下對(duì)應(yīng)的垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)及碰撞力合力的時(shí)歷統(tǒng)計(jì)值結(jié)果。以C103首斜浪工況為例，列出了一段典型時(shí)間段內(nèi)Spar平臺(tái)及半潛駁船垂蕩運(yùn)動(dòng)的時(shí)歷對(duì)比圖以及第一組支架的接觸力時(shí)歷，如圖13～14。將九組彈簧受力時(shí)歷相加，得到Spar平臺(tái)受到的接觸力合力。極值時(shí)刻的各組接觸力結(jié)果見表4(取C101～C104工況為例)。將這組支座接觸力施加在Spar平臺(tái)對(duì)應(yīng)位置，得到只考慮碰撞接觸力作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果。

圖10 Spar平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)RAOFig.10 Spar heave RAOs

圖11 Spar平臺(tái)橫搖運(yùn)動(dòng)RAOFig.11 Spar roll RAOs

圖12 Spar平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)RAOFig.12 Spar pitch RAOs

圖13 C103工況，Spar平臺(tái)及半潛駁船垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷Fig.13 Time series of heave motion:C103-quartering sea

圖14 C103工況，第一組支架(P1＆S1)受力時(shí)歷Fig.14 Time series of fender:C103 P1＆ S1

表3 Spar平臺(tái)垂蕩、橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)及接觸力合力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistical results of the heave，roll and pitch motion

表4 碰撞接觸力最大時(shí)刻及每組彈簧單元受力大小Tab.4 Moment of maximum vertical force＆ fender forces

從垂蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)歷及彈簧受力時(shí)歷結(jié)果可以看出，彈簧受力時(shí)刻與兩條垂蕩運(yùn)動(dòng)曲線重合部分相對(duì)應(yīng)，在該時(shí)刻Spar平臺(tái)及半潛駁船間產(chǎn)生碰撞接觸。在Spar平臺(tái)剛剛自浮的浮卸雙浮體階段，Spar平臺(tái)和半潛駁船間會(huì)發(fā)生多次碰撞接觸。

由Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在相同波高及周期下，垂蕩、橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng)均在橫浪下具有最大的響應(yīng)幅值，斜浪次之，迎浪最小。碰撞接觸力合力隨波浪方向改變的趨勢與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的變化趨勢相同。特別地，在橫浪狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及接觸力幅值都大幅增大。而在相同波高及波浪方向下，平臺(tái)的垂蕩、橫搖及縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及接觸力合力均隨波浪周期的增大而增大?？梢姡ɡ朔较蚣爸芷诙硷@著地影響了浮卸作業(yè)過程中Spar平臺(tái)和半潛駁船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及碰撞接觸力的大小，進(jìn)而影響Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平分布。

從各組彈簧單元受力大小結(jié)果可以看出，在各工況下，Spar平臺(tái)軟艙受到的接觸力最大，硬艙頂部次之，垂蕩板下方的接觸力則較小。這種現(xiàn)象說明，碰撞接觸更容易發(fā)生在Spar平臺(tái)軟艙及硬艙頂部。造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩方面:第一是由于Spar平臺(tái)及駁船的縱搖運(yùn)動(dòng)使得在首尾兩端的軟艙及硬艙頂部與駁船甲板更容易發(fā)生碰撞;第二是由于Spar平臺(tái)桁架相對(duì)剛度較小且跨度較長，由桁架連接的軟艙部位的運(yùn)動(dòng)加速度、速度及變形較大，碰撞接觸效果顯著。

3.2 Spar平臺(tái)應(yīng)力結(jié)果

通過線性疊加法將總體強(qiáng)度分析結(jié)果及局部碰撞接觸力結(jié)果進(jìn)行合并，得到浮卸作業(yè)雙浮體階段Spar平臺(tái)總的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果。圖15～17為L103工況下，Spar平臺(tái)包括垂蕩板、軟艙結(jié)構(gòu)的相當(dāng)應(yīng)力(Von－Mises)結(jié)果及桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。在表5中，總結(jié)了L103及L104工況下高應(yīng)力水平的具體數(shù)值并說明了高應(yīng)力水平構(gòu)件位置，這兩個(gè)工況反應(yīng)了Spar平臺(tái)應(yīng)力水平的一般趨勢。

圖15 L103工況下垂蕩板Von-mises應(yīng)力結(jié)果Fig.15 Von-mises stress of heave plate:L103

圖16 L103工況下桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力結(jié)果Fig.16 Axial force of truss members:L103

圖17 L103工況下軟艙外部及軟艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)Von-mises應(yīng)力結(jié)果Fig.17 Von-mises stress of soft tank shell and inner soft tank:L103

可以看出Spar平臺(tái)的高應(yīng)力水平主要出現(xiàn)在桁架分別與軟艙、硬艙相交區(qū)域的構(gòu)件，及硬艙內(nèi)部構(gòu)件上，平均應(yīng)力水平不超過70 MPa。這是由于Spar結(jié)構(gòu)的桁架與軟艙和硬艙的連接區(qū)域是結(jié)構(gòu)形式及截面剛度突變處，也是結(jié)構(gòu)高應(yīng)力水平出現(xiàn)的區(qū)域;硬艙壓載水和內(nèi)部構(gòu)件重量大，在硬艙外殼和垂向艙壁區(qū)域出現(xiàn)相對(duì)高應(yīng)力水平。局部最高應(yīng)力水平不超過100 MPa。同時(shí)，結(jié)構(gòu)軟艙部分由于受到的接觸力較大，應(yīng)力水平較高。不過，受到浮卸作業(yè)環(huán)境條件的嚴(yán)格限制，計(jì)算海況比較良好，無論波浪誘導(dǎo)載荷還是雙浮體的碰撞接觸力都較小，這些高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力水平不高。尤其是雙浮體之間的碰撞接觸力，在整個(gè)過程都維持在相對(duì)較小的水平，對(duì)Spar整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平影響較小。

這里應(yīng)用的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算方法不僅適用于Spar平臺(tái)浮卸作業(yè)雙浮體階段，并且同樣適用于其他波浪中的多浮體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，例如海上浮拖工程、FLNG旁靠作業(yè)等施工。同時(shí)，如果浮卸作業(yè)時(shí)環(huán)境條件突然惡化，雙浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、接觸力以及波浪誘導(dǎo)載荷會(huì)大幅增加，進(jìn)而顯著增大結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，有可能造成結(jié)構(gòu)破壞。更危險(xiǎn)海況下Spar平臺(tái)及半潛駁船的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析將在今后的研究中討論。

表5 Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)高應(yīng)力水平位置及大小總結(jié)Tab.5 Summary of the stress level

4 結(jié)語

針對(duì)Truss Spar平臺(tái)浮卸作業(yè)雙浮體階段，提出載荷求解及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方案。如何確定接觸力的大小，以及如何確定碰撞接觸條件下Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在本研究中給出了解答。計(jì)算得到的結(jié)論如下:

1)基于三維勢流理論考慮浮體之間的水動(dòng)力影響，在頻域及時(shí)域下求解運(yùn)動(dòng)方程得到波浪誘導(dǎo)載荷及雙浮體碰撞接觸力，以線性疊加方法將兩種載荷強(qiáng)度分析結(jié)果進(jìn)行組合，這種方法能夠較真實(shí)且合理地模擬Spar平臺(tái)在浮卸作業(yè)雙浮體階段所受到的載荷，并反映此工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力水平。這種分析方案不僅可以用在Spar平臺(tái)浮卸作業(yè)強(qiáng)度分析中，還可以推廣到其他近靠多浮體浮式海洋工程結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度分析中。

2)浮卸作業(yè)波浪方向以及頻率在很大程度上影響雙浮體的運(yùn)動(dòng)性能及碰撞接觸力的大小。橫浪、斜浪海況較之迎浪海況會(huì)產(chǎn)生更大的波浪誘導(dǎo)載荷及雙浮體接觸力，波浪頻率在一定范圍內(nèi)增大也會(huì)使接觸力增大。在實(shí)際作業(yè)中，應(yīng)對(duì)波浪方向進(jìn)行控制和調(diào)整，選擇較安全的海況。

3)在浮卸作業(yè)中，Spar平臺(tái)尾部軟艙區(qū)域及首部硬艙頂端區(qū)域較容易與駁船甲板發(fā)生接觸，此區(qū)域可能會(huì)受到較大的碰撞接觸力。

4)由于浮卸作業(yè)要求海況較嚴(yán)格，波高較小，波浪周期較短，因此作業(yè)要求的海況下，Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，一般不會(huì)對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。但Spar平臺(tái)硬艙、軟艙和桁架連接區(qū)域及硬艙內(nèi)部構(gòu)件出現(xiàn)局部高應(yīng)力水平，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)連接區(qū)域是結(jié)構(gòu)形式和截面剛度突變區(qū)域。硬艙壓載水和構(gòu)件重量大，因此在硬艙外殼和垂向艙壁區(qū)域會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較高的應(yīng)力水平。

基于彈性分析理論，以線性疊加法對(duì)Spar平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行組合，且碰撞接觸力分析中由于兩浮體運(yùn)動(dòng)較緩慢而沒有考慮由相對(duì)加速度引起的碰撞放大系數(shù)。對(duì)于更惡劣海況，應(yīng)計(jì)入結(jié)構(gòu)的非線性變形及碰撞放大系數(shù)的影響，這些將在在今后的工作中進(jìn)行研究討論。

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Structural analysis for a Truss Spar during float-off operation

YANG Yue1，YANG Jian-min1，HU Zhi-qiang1，F(xiàn)AN Zhi-xia2，SUN Wei-ying2
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China;2.COOEC，Tianjin 300452，China)

In the float-off operation for a Truss Spar platform，the semi-submersible barge constantly increases its ballast until the Spar platform is floating freely and towed off the barge.Structural analysis of the multi-body stage during the float-off operation for a Truss Spar is proposed.It consists of two steps:one is global strength analysis for the wave loads and the other is strength analysis for the contact forces between Spar and the vessel.Considering the hydrodynamic interaction between the two floating bodies，the wave loads in frequency domain and the time series of contact forces in time domain are investigated with the help of the code SESAM.The results of the Spar components are obtained with the combination of the structural analysis results under wave loads and contact forces application based on the linear superposition method.Contact forces under different wave directions and periods are discussed.The global stress level and high stress area of the Spar components can be obtained to assess the float-off strength condition of the Spar platform.

Truss Spar;float-off;multi-body floating system;load solving;structural analysis

P751

A

1005-9865(2012)04-0021-08

2011-12-01

國家重大專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2011ZX05026-006-05)

楊 玥(1988－)，女，天津人，碩士生，主要從事船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)方面研究。E-mail:yangyue.wei@gmail.com