自升式海洋鉆井平臺(tái)固樁架力學(xué)性能研究

唐文獻(xiàn),錢 浩,張 建,秦文龍,唐振新,曹 俊

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江,212003)

隨著科學(xué)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)文明的不斷發(fā)展,以及人類對(duì)石油資源需求的不斷增加,世界各國(guó)正逐步開發(fā)海洋石油資源.自升式鉆井平臺(tái)[1]作為開發(fā)海洋石油資源的重要裝置,其結(jié)構(gòu)可靠性直接關(guān)系到自升式鉆井平臺(tái)的安全問(wèn)題.自升式鉆井平臺(tái)主要由船體、固樁架、樁腿及樁靴4部分組成,其中固樁架[2-4]是連接船體和樁腿的重要部件,在預(yù)壓工況下,其主要承受重力載荷,而在作業(yè)及暴風(fēng)自存工況下,主要承受重力及環(huán)境載荷,因而對(duì)固樁架的力學(xué)性能進(jìn)行研究是十分有必要的.有關(guān)自升式鉆井平臺(tái)固樁架的分析已有大量研究，文獻(xiàn)[5-6]中對(duì)自升式平臺(tái)站立工況及該工況下主要構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[7]中在nSoft疲勞分析理論的基礎(chǔ)上,運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)法對(duì)固樁架的疲勞問(wèn)題進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[8]中運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)固樁架有限元模型進(jìn)行了應(yīng)力分析;文獻(xiàn)[9-10]中分析了風(fēng)浪流載荷作用下平臺(tái)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;文獻(xiàn)[11-12]中對(duì)自升式平臺(tái)的力學(xué)性能研究方法進(jìn)行了研究和論述.雖然很多學(xué)者已經(jīng)在自升式鉆井平臺(tái)分析方面做了大量工作,但很少有學(xué)者通過(guò)建立固樁架詳細(xì)模型來(lái)研究船體與樁腿的連接剛度.為此,文中以自升式鉆井平臺(tái)固樁架為研究對(duì)象,通過(guò)建立固樁架、樁腿及支架處的力學(xué)模型以確定載荷分布,并建立固樁架三維有限元模型,運(yùn)用有限元軟件分析研究了自升式鉆井平臺(tái)固樁架在預(yù)壓、作業(yè)、暴風(fēng)自存工況下的力學(xué)性能,并以此為基礎(chǔ)對(duì)船體和樁腿的連接剛度進(jìn)行了論述.

1 建模

1.1 有限元模型

文中以Super M2自升式鉆井平臺(tái)固樁架為研究對(duì)象,其主要構(gòu)件有:前承載板,后承載板,側(cè)及下承載板,前支架,后支架,內(nèi)部加強(qiáng)板,支架加強(qiáng)筋,導(dǎo)向板,導(dǎo)向板加強(qiáng)筋,支撐板,支撐圓管等,具體結(jié)構(gòu)形式如圖1.固樁架所有構(gòu)件材料為:Q345,其彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比分別為206 GPa，345 MPa，0.3 MPa.由于固樁架是箱體類結(jié)構(gòu),因而采用殼單元模擬固樁架構(gòu)件,并約束固樁架與船體連接處節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度,所建固樁架三維有限元模型包括91 450個(gè)單元,85 281個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖1 固樁架網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mesh model diagram of Jacking Frame

1.2 載荷

固樁架在預(yù)壓工況、作業(yè)工況、暴風(fēng)自存工況下所匹配的垂直載荷分別為16 032,13 082,11 721 t;而在作業(yè)工況、暴風(fēng)自存工況下承受風(fēng)載荷的作用,且作業(yè)及暴風(fēng)自存工況下的風(fēng)載荷設(shè)計(jì)參數(shù)[2]分別為36,51.4 m/s.文中將研究各工況下垂直載荷和水平載荷對(duì)固樁架力學(xué)性能的綜合影響,由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,因而只需研究120°范圍內(nèi)固樁架的力學(xué)性能.

1.2.1 水平載荷

風(fēng)載荷的計(jì)算方法參照《海洋自升式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究》[13-14],并假定風(fēng)載荷方向與船體甲板面平行.在分析風(fēng)載荷時(shí),可建立力學(xué)模型(圖2),圖2a)所示力學(xué)模型中將桁架式樁腿簡(jiǎn)化為直立杠桿,圖2b)為固樁架簡(jiǎn)化力學(xué)模型,其中①，②，③，④，⑤，⑥為固樁架6個(gè)上導(dǎo)向板的編號(hào)；F為樁腿所受合力；F1為上導(dǎo)向處所受合力；F2為下導(dǎo)向所受合力.

a) 直立杠桿型 b)力學(xué)模型

1.2.2 垂直載荷

在分析垂直載荷時(shí),可將L型減速器簡(jiǎn)化成剛性桿杠模型,其受力分析如圖3,其中:F為小齒輪所受合力；F1為后支架所受合力；F2為前支架所受合力.而在現(xiàn)實(shí)情況中,前后之架的接觸面為半圓柱面,其接觸壓力按余弦函數(shù)方式分布.設(shè)P為接觸表面壓力，Pm為余弦函數(shù)分布?jí)毫Φ姆逯?x為壓力P與接觸面的夾角，r,l分別為支架半徑和寬度,因而接觸壓力的表達(dá)式為:

P=Pm×cosx

(1)

(2)

圖3 垂直載荷力學(xué)模型Fig.3 Vertical load mechanical model

2 結(jié)果分析與討論

預(yù)壓工況下固樁架的應(yīng)力云圖(圖4),該工況下最大應(yīng)力值為98.1 MPa,最小應(yīng)力值為0.145 MPa;且在最下處后支架接觸面產(chǎn)生最大應(yīng)力,其值為98.1 MPa,其原因?yàn)?①前后支架承受載荷時(shí),后支架承受主要載荷;②由于后支架處所有載荷方向都垂直向下,所以最下處后支架受力最大.

圖4 預(yù)壓工況應(yīng)力云圖Fig.4 Preload conditions stress cloud

作業(yè)工況下固樁架的應(yīng)力云圖如圖5所示,且當(dāng)特征角度θ為30°時(shí),右半側(cè)最下處后支架及上導(dǎo)向板下邊緣和導(dǎo)向加強(qiáng)筋邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力,最大應(yīng)力值為123.2 MPa.通過(guò)分析可知:①后支架承受的載荷較大,且受力方向全部垂直向下,因而最下處后支架產(chǎn)生最大應(yīng)力;②右半側(cè)固樁架上導(dǎo)向下邊緣及對(duì)應(yīng)導(dǎo)向加強(qiáng)筋邊緣處應(yīng)力較大，主要是由于其承受較大的水平載荷;③將作業(yè)工況下固樁架的力學(xué)性能與預(yù)壓工況相比較,可知水平載荷對(duì)固樁架力學(xué)性能的影響較大.

θ=0° θ=30° θ=60° θ=90° θ=120°

暴風(fēng)自存工況下固樁架的應(yīng)力云圖如圖6所示,且當(dāng)特征角為30°,90°時(shí),左、右側(cè)固樁架上導(dǎo)向下邊緣及相應(yīng)導(dǎo)向加強(qiáng)筋邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力,最大應(yīng)力值為236.7 MPa,這主要由于暴風(fēng)自存工況下固樁架所承受的水平載荷較大,且固樁架導(dǎo)向本身也存在設(shè)計(jì)缺陷,從而導(dǎo)致導(dǎo)向處應(yīng)力值進(jìn)一步增大.

θ=0° θ=30° θ=60° θ=90° θ=120°

固樁架各特征角度下的最大應(yīng)力值如表1所示,通過(guò)對(duì)比可知各特征角度下的最大應(yīng)力都發(fā)生在暴風(fēng)自存工況,且在導(dǎo)向下邊緣及相應(yīng)導(dǎo)向加強(qiáng)筋邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力;通過(guò)對(duì)比各特征角度下的最大應(yīng)力值,可知最大應(yīng)力值會(huì)隨角度的改變而發(fā)生改變,且在一定范圍內(nèi)浮動(dòng),尤其當(dāng)特征角度為30°和90°時(shí),固樁架產(chǎn)生最大應(yīng)力.

表1 固樁架最大應(yīng)力Table 1 Maximum stress of jacking frame

通過(guò)分析圖4,5,6可知,各工況下的最大應(yīng)力值及發(fā)生最大應(yīng)力區(qū)域如表2所示.當(dāng)只有垂直力作用時(shí),后支架受力最大;而當(dāng)垂直載荷和水平載荷共同作用,且水平載荷較小時(shí),后支架和導(dǎo)向邊緣及相應(yīng)加強(qiáng)筋邊緣都是可能發(fā)生屈服的區(qū)域;當(dāng)垂直載荷和水平載荷共同作用,而水平載荷較大時(shí),此時(shí)導(dǎo)向邊緣及相應(yīng)加強(qiáng)筋邊緣為可能發(fā)生屈服的區(qū)域.

表2 各工況下最大應(yīng)力Table 2 Maximum stress of all conditions

由于固樁架材料為Q345,其屈服強(qiáng)度σb為345 MPa;并根據(jù)船級(jí)社規(guī)范選取安全系數(shù)S=0.85,有:

[σ]=S×σb=0.85×345=293.25 MPa

σmax=236.7 MPa

σmax<[σ]=293.25 MPa

所以,固樁架整體滿足強(qiáng)度要求.式中:[σ]為Q345屈服應(yīng)力;σmax為固樁架最大應(yīng)力.

圖7,8為固樁架在作業(yè)工況、暴風(fēng)自存工況下發(fā)生最大應(yīng)力時(shí)的位移云圖,從位移云圖中可知,作業(yè)工況下導(dǎo)向位移為1.634 mm,暴風(fēng)自存工況下導(dǎo)向位移為2.871 mm，而此時(shí)導(dǎo)向在作業(yè)工況及暴風(fēng)自存工況下的應(yīng)力值分別為123.2,236.7 MPa,因而可根據(jù)公式K=F/s求得作業(yè)工況及暴風(fēng)自存工況下船體與樁腿的連接剛度分別為79.398,82.445 N/mm,從而可知,連接剛度會(huì)隨著外部載荷的增加而增加.式中:K為連接剛度;F為接觸力;s為位移值.

圖7 作業(yè)工況位移云圖Fig.7 Working conditions displacement cloud

圖8 暴風(fēng)自存工況位移云圖Fig.8 Storm self-existence condition displacement cloud

3 結(jié)論

1)在作業(yè)工況及暴風(fēng)自存工況下船體與樁腿的連接剛度分別為79.398,82.445 N/mm.

2)對(duì)固樁架的研究,要綜合考慮垂直載荷和水平載荷對(duì)固樁架力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明:作業(yè)工況下,垂直載荷及水平載荷共同影響著固樁架的力學(xué)性能;暴風(fēng)自存工況下,水平載荷對(duì)固樁架的力學(xué)性能有突出影響.

3)考慮水平載荷時(shí),要注重船體與風(fēng)載荷的夾角因素,特別是當(dāng)船體與風(fēng)載荷的夾角為30°,90°時(shí),風(fēng)載荷對(duì)固樁架的力學(xué)性能有突出影響.

4)通過(guò)對(duì)固樁架力學(xué)性能的研究,可以知道固樁架的最下處支架、導(dǎo)向邊緣及相應(yīng)的導(dǎo)向加強(qiáng)筋邊緣是最容易發(fā)生屈服的區(qū)域.

然而,在文中的研究過(guò)程中也存在著一些不足:水平載荷只考慮了風(fēng)載荷;力學(xué)模型分析計(jì)算中,將樁腿和L型減速器抽象成剛性杠桿;固樁架的支架采用殼單元等.

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