海洋平臺結(jié)構(gòu)安全性評估方法集成技術(shù)

單威俊，許 方，金建海，周 煒

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

海洋平臺結(jié)構(gòu)安全性評估方法集成技術(shù)

單威俊，許 方，金建海，周 煒

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082）

研究海洋鉆井平臺結(jié)構(gòu)安全性評估程序集成技術(shù)，介紹集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程和功能模塊。該系統(tǒng)是以O(shè)rient平臺為基礎(chǔ)開發(fā)的一套集成化仿真軟件，實(shí)現(xiàn)包括前后處理的水動力性能預(yù)報和結(jié)構(gòu)安全性分析過程。具有方便的使用界面、合理的輸入輸出接口、優(yōu)良的計算結(jié)果實(shí)時顯示和后處理功能，提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化的接口，使設(shè)計過程規(guī)范化和自動化，在設(shè)計階段即可把握設(shè)計方案的綜合性能，提高工作效率。

海洋平臺;結(jié)構(gòu);安全性;集成

0 引言

在信息化背景下，海洋平臺的安全性評估方法需要通過計算機(jī)技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用。美國、荷蘭、挪威和日本等海洋工程技術(shù)發(fā)展較早的國家，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞分析等方面都發(fā)展了各自的數(shù)值計算方法和軟件，可以預(yù)報深海平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、強(qiáng)度和疲勞等。國際上也有該類商業(yè)化應(yīng)用軟件，如DNV開發(fā)的面向海洋工程分析的SESAM軟件包，包括前后處理、水動力計算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和疲勞強(qiáng)度分析等功能。另外還有其他國家開發(fā)的軟件包如Hydrostar，WAMIT，VMOOR等。我國海洋平臺安全性評估研究起步較晚，近年來，相關(guān)科研院所以及高校進(jìn)行了大量海洋平臺的安全性評估基礎(chǔ)技術(shù)和共性技術(shù)研究，并陸續(xù)開發(fā)了一系列相關(guān)計算程序，同時在國外商用軟件基礎(chǔ)上積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)，但國內(nèi)軟件的技術(shù)水平與應(yīng)用程度，與國外相比還有很大的差距［1］。因此，除了需要開發(fā)或完善這些評估計算軟件，更需要開發(fā)友好的前后處理功能模塊，并形成集成軟件，才能提高軟件的易用性和可靠性，進(jìn)而真正推廣這些評估軟件的應(yīng)用，以提高我國海洋平臺安全性評估水平，提升深海海洋工程裝備研制能力［2］。

平臺安全性評估方法研究主要指平臺結(jié)構(gòu)的可靠性分析與安全性評估和油氣作業(yè)的安全性分析與評估兩方面。本文主要針對海洋平臺的結(jié)構(gòu)安全可靠性，分析相關(guān)方法，形成安全性評估預(yù)報集成軟件。其技術(shù)特色和創(chuàng)新點(diǎn)為:在我國海洋鉆井平臺總體和結(jié)構(gòu)性能自主研究的基礎(chǔ)上，引進(jìn)、消化和吸收當(dāng)前國際上海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠性和安全性預(yù)報、評估新技術(shù)。以半潛式鉆井平臺為基礎(chǔ)，分析在我國近海海況下平臺波浪載荷預(yù)報、水動力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)可靠性。

1 流程設(shè)計

該系統(tǒng)前臺是以O(shè)rient平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)專業(yè)分析需要定制界面，后臺集成專業(yè)人員研制的求解程序。主要功能是對海洋半潛鉆井平臺的綜合性能進(jìn)行評估和預(yù)報仿真，可對海洋半潛鉆井平臺的波浪中運(yùn)動性能和結(jié)構(gòu)可靠性等進(jìn)行全面的評估和預(yù)報。該系統(tǒng)針對的使用者為從事深海半潛鉆井性能預(yù)報和評估的平臺科研機(jī)構(gòu)和設(shè)計院。

在Orient.CAE集成定制平臺框架基礎(chǔ)上，按照軟件工程思想，規(guī)范專業(yè)人員計算程序的開發(fā)，對載荷計算程序、水動力快速預(yù)報計算程序、結(jié)構(gòu)安全載荷能力系數(shù)相應(yīng)的計算程序進(jìn)行模塊化開發(fā)與集成，固化預(yù)報與評估的使用流程和專家經(jīng)驗(yàn)，定制專家化的界面。其中流程中每個模塊都有直觀且交互性很強(qiáng)的用戶界面，支持外部模型和參數(shù)的導(dǎo)入，直觀自動地顯示中間和結(jié)果關(guān)鍵數(shù)據(jù)。根據(jù)海洋平臺安全性評估分析需要進(jìn)行定制，如坐標(biāo)系定義、環(huán)境條件參數(shù)定義、平臺屬性參數(shù)定義、以及載荷計算、水動力預(yù)報等計算方法的控制參數(shù)以及各類結(jié)果的顯示等。后臺則是對水動力性能預(yù)報等計算模塊的開發(fā)與改造。將前臺與后臺統(tǒng)一起來，形成一個統(tǒng)一的、封裝了專家使用知識和方法、可方便快捷進(jìn)行海洋平臺安全性評估的集成軟件系統(tǒng)。集成系統(tǒng)流程設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主界面如圖2所示。

表1 功能模塊Tab.1 Function module

圖1 流程設(shè)計Fig.1 Process design

圖2 主界面Fig.2 Main interface

圖2中主界面分為菜單欄、設(shè)計導(dǎo)航窗口、圖形顯示窗口3個部分。功能窗口包括相關(guān)的預(yù)報和分析操作:平臺參數(shù)，水動力性能預(yù)報、結(jié)構(gòu)可靠性分析。圖形顯示窗口為三維模型和二維曲線顯示區(qū)域。

2 平臺參數(shù)

平臺主參數(shù)是鉆井平臺進(jìn)行安全性分析所需使用的公共參數(shù)，包括全局坐標(biāo)系的定義，主尺度參數(shù)和平臺模型。在使用各個模塊進(jìn)行預(yù)報和評估之前，首先需要設(shè)定鉆井平臺參數(shù)。其中的全局坐標(biāo)系為程序內(nèi)置，僅在集成系統(tǒng)給出示意圖，提示分析人員按照示意圖中的指示給定平臺參數(shù)。結(jié)合分析人員多年的使用經(jīng)驗(yàn)［3］，本集成系統(tǒng)目前支持導(dǎo)入SESAM Genie模塊輸出的模型、Iges格式CAD模型文件、bdf模型文件、mesh模型文件4種格式，并能三維顯示;提供手工建模功能模塊。

表2 平臺參數(shù)Tab.2 Parameters of platform

3 水動力性能預(yù)報

水動力性能預(yù)報采用STF切片理論，假定平臺的橫向運(yùn)動 (橫蕩、橫搖、首搖）和縱向運(yùn)動 (縱蕩、垂蕩、縱搖）相互獨(dú)立，可以分別進(jìn)行規(guī)則波運(yùn)動響應(yīng)預(yù)報;計算中，流體動力的粘性成份只考慮對橫搖阻尼的影響，平臺的橫搖阻尼由興波、粘性、興渦和升力項等組成;不規(guī)則波中運(yùn)動預(yù)報采用線性疊加原理，由非線性阻尼和橫搖引起的橫向運(yùn)動的非線性采用橫搖角的非線性迭代進(jìn)行計算［4］。進(jìn)行水動力性能預(yù)報時，首先要設(shè)置環(huán)境條件參數(shù)和控制參數(shù)，然后提交計算，計算完成后可以查看計算結(jié)果。

環(huán)境條件設(shè)置中，風(fēng)、流、浪、頻率和方向均可設(shè)置多個，分別設(shè)定名稱并設(shè)置相關(guān)參數(shù)如參考位置、剖面系數(shù)、平均風(fēng)速，流的方向、流速，浪譜的類型、譜峰值參數(shù)、有義波高、譜峰周期等［5］。設(shè)定的環(huán)境條件統(tǒng)一保存在工程數(shù)據(jù)文件中管理，進(jìn)行安全性分析計算時統(tǒng)一提取。設(shè)置頻率時，輸入頻率名稱后可選擇頻率、周期、波長或者無因次頻率方式設(shè)定，并能根據(jù)設(shè)置的開始、結(jié)束和間隔，自動插入多個頻率值。

圖3 頻率設(shè)置界面Fig.3 Set the frequency

圖4 方向設(shè)置截面Fig.4 Set the direction

盡管我國在海上石油勘探開發(fā)和半潛式平臺的設(shè)計建造等方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但尚未全面掌握核心技術(shù)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)設(shè)計能力［2］。目前我國的海洋平臺設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還是根據(jù)美國的海洋環(huán)境條件數(shù)據(jù)及其海上固定平臺設(shè)計實(shí)踐所確定的。但由于我國所建海洋平臺所處海域的海洋環(huán)境條件數(shù)據(jù)與美國的不同，將這些荷載和抗力的分項系數(shù)應(yīng)用到我國海洋平臺設(shè)計中不一定準(zhǔn)確。非常有必要結(jié)合我國海洋環(huán)境實(shí)際的數(shù)據(jù)，開展海洋平臺結(jié)構(gòu)可靠安全性評估方法研究。因此，系統(tǒng)中環(huán)境條件的波浪散布圖可以選擇文件輸入，也集成了西北太平洋的波浪數(shù)據(jù)，根據(jù)選擇的海域可自動從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的散布圖數(shù)據(jù)，提交給分析計算程序。

圖5 波浪設(shè)置界面Fig.5 Set the wave

圖6 海域選擇界面Fig.6 Select the seas

在設(shè)置好三向運(yùn)動計算點(diǎn)、氣隙計算點(diǎn)，并選擇規(guī)則波或不規(guī)則波提交求解器計算水動力系數(shù)、運(yùn)動響應(yīng)，加速度后，可查看平臺在規(guī)則波中運(yùn)動響應(yīng)RAO［6］。如縱蕩幅值、橫蕩幅值、垂蕩幅值、縱搖幅值、橫搖幅值、首搖幅值，還可以選擇不同浪向進(jìn)行查看;規(guī)則波中的運(yùn)動響應(yīng)附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)，可以選擇查看附加質(zhì)量、阻尼系數(shù)、無因次附加質(zhì)量、附加質(zhì)量阻尼系數(shù);規(guī)則波點(diǎn)加速度響應(yīng)、運(yùn)動、點(diǎn)加速度預(yù)報值則以文件方式輸出。

4 結(jié)構(gòu)可靠性分析

結(jié)構(gòu)可靠性分析包括整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、局部加筋板LRFD設(shè)計和載荷自動加載。

圖7 結(jié)果展示Fig.7 View results

圖8 結(jié)構(gòu)可靠性分析流程Fig.8 Structural reliability analysis process

整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析mc_ultstr程序，為專業(yè)研究人員開發(fā)的半潛平臺極限強(qiáng)度計算程序與蒙特卡羅模擬程序的結(jié)合體。它可以在板厚、材料彈性模量及材料屈服強(qiáng)度不確定性的前提下，計算半潛平臺極限強(qiáng)度的概率特性。支持直接選擇計算文件和界面輸入2種輸入方式;本文長度單位為mm，應(yīng)力單位為MPa，腐蝕速率的單位為mm/year。本程序所有加筋單元的自身坐標(biāo)原點(diǎn)為帶板底面和腹板中心線的交點(diǎn)。界面輸入順序?yàn)榭傮w參數(shù)－朝下加筋板－朝上加筋板－舷側(cè)加筋板－向下硬角單元，向上硬角單元;橫剖面單元劃分及加筋板參數(shù)輸入界面示意圖如圖9所示。

圖9 參數(shù)輸入Fig.9 Parameter input

4.1 輸入流程

1）文件輸入

由分析人員選擇本地手工編輯好的*.Dat文件，直接調(diào)用求解器計算;

2）總體參數(shù)

首先輸入加筋板數(shù)量，向下加筋板數(shù)量，向上加筋板數(shù)量，舷側(cè)加筋板數(shù)量、硬角單元數(shù)，向下硬角單元數(shù)，選擇中拱或中垂 (中拱為1，中垂為0），若不輸入總體參數(shù)，則不能進(jìn)行該模塊其他參數(shù)的輸入;

3）朝下/朝上，舷側(cè)加筋板

根據(jù)總體參數(shù)中輸入的朝下/朝上，舷側(cè)加筋板數(shù)量，自動生成相應(yīng)數(shù)量的單元格，在集成系統(tǒng)表格中編輯單元相關(guān)參數(shù);

4）硬角單元

根據(jù)總體參數(shù)中輸入的硬角單元數(shù)量，自動生成相應(yīng)數(shù)量的單元格，由分析人員在表格中編輯單元相關(guān)參數(shù)。

4.2 求解器輸入格式

求解器輸入文件為input.dat，格式為:1）每2個輸入量使用空格將其隔開。

2）第1行從左到右順序分別為:加筋板數(shù)量，向下加筋板數(shù)量，向上加筋板數(shù)量，硬角單元數(shù)，向下硬角單元數(shù)，中拱或中垂 (中拱為1，中垂為0）。

3）輸入單元時按照:朝下加筋板－朝上加筋板－舷側(cè)加筋板－向下硬角單元，向上硬角單元的順序輸入。

4）朝下加筋板和朝上加筋板按從左到右順序輸入:帶板寬度 (加強(qiáng)筋左右各半個板寬），帶板厚，帶板厚變異系數(shù) (正態(tài)分布），腹板高，腹板厚，翼板寬，翼板厚，帶板中心距基線高度 (基線取在下底板外緣），板長 (梁柱長度），側(cè)向載荷q，MPa，材料屈服應(yīng)力，MPa，材料屈服應(yīng)力變異系數(shù)(對數(shù)正態(tài)分布），彈性模量，MPa，彈性模量變異系數(shù) (正態(tài)分布）。

5）舷側(cè)加筋板按從左到右順序輸入:筋下半個板寬，筋上半個板寬，帶板厚，帶板厚變異系數(shù) (正態(tài)分布），腹板高，腹板厚，下翼板寬，上翼板寬，翼板厚，帶板中心距基線高度 (基線取在下底板外緣），板長 (梁柱長度），側(cè)向載荷q，MPa，材料屈服應(yīng)力，MPa，材料屈服應(yīng)力變異系數(shù) (對數(shù)正態(tài)分布），彈性模量，MPa，彈性模量變異系數(shù) (正態(tài)分布）。

6）硬角單元按從左到右順序輸入:帶板寬，帶板厚，帶板厚變異系數(shù) (正態(tài)分布），腹板高，腹板厚，帶板中心距基線高度 (基線取在下底板外緣），側(cè)向載荷q，MPa，材料屈服應(yīng)力，MPa，材料屈服應(yīng)力變異系數(shù) (對數(shù)正態(tài)分布），彈性模量，MPa，彈性模量變異系數(shù) (正態(tài)分布）。

以上尺寸單位均為mm。

由集成系統(tǒng)將輸入?yún)?shù)保存為求解器的輸入格式文件，調(diào)用求解程序進(jìn)行計算;求解器輸出結(jié)果文件:result.txt，結(jié)果文件為n行一列的散點(diǎn)結(jié)果值。輸出文件為指定循環(huán)次數(shù)下的極限強(qiáng)度計算結(jié)果，若循環(huán)次數(shù)為50 000次，result.txt中便有50 000組數(shù)據(jù)，N·mm。集成系統(tǒng)分別調(diào)用Matlab的散點(diǎn)圖、正態(tài)分布擬合和對數(shù)正態(tài)分布擬合的方法畫出極限強(qiáng)度計算結(jié)果的擬合曲線。

局部加筋板LRFD設(shè)計程序，為基于一次二階矩法，采用Matlab二次開發(fā)技術(shù)編寫的半潛平臺加筋板計算程序，主要由2個部分組成:1）半潛平臺加筋板極限強(qiáng)度計算程序，此模塊中又包含了無測壓加筋板極限強(qiáng)度模型和有測壓加筋板極限強(qiáng)度模型;2）半潛平臺加筋板LRFD分項安全因子標(biāo)定程序，在靜水荷載、波浪荷載、動荷載情況下的加筋板LRFD設(shè)計公式將為如下形式:

圖10 極限強(qiáng)度計算結(jié)果Fig.10 Limit strength results

式中:g為極限狀態(tài)方程;fSW為靜水彎矩引起的應(yīng)力;fW為波浪彎矩引起的應(yīng)力;fWH為動力彎矩引起的應(yīng)力;kW為荷載組合系數(shù);kWH為荷載組合系數(shù);Fu為結(jié)構(gòu)抗力;φFu，γfsW，γfW，γfWH為分項安全因子。

4.3 自動加載模塊操作方法

自動加載模塊是手工方式在Ansys中提取模型節(jié)點(diǎn)信息。操作方法如下:

1）啟動Ansys，打開半潛平臺有限元模型;

2）選擇浮體表面 (CMSEL，S，NEWFUTIBIAOMIAN），顯示面 (aplot），選中屬于面的部分 (ALLSEL，BELOW，AREA），從選中單元中選擇面單元(ESEL，R，TYPE，2），選擇屬于面單元的節(jié)點(diǎn)(ALLSEL，BELOW，ELEM）;

3）選擇浮體肋骨框上的線 (CMSEL，S，NEWLEIGUKUANG），選擇屬于線的節(jié)點(diǎn) (NSLL，R，1），顯示節(jié)點(diǎn) (nplot）;

4）保存節(jié)點(diǎn)文件到node文件 (NLIST，ALL，，，，NODE，NODE，NODE），file＞save as。

圖11 LRFDFig.11 LRFD

圖12 Ansys模型Fig.12 Ansysmodel

4.4 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換

1）選擇Ansys有限元模型中手工提取的平臺節(jié)點(diǎn)文件;

2）由集成系統(tǒng)調(diào)用節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換程序完成節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換;3）輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果文件node.dat;

4.5 靜水載荷

1）設(shè)定站數(shù);

2）輸入各站處的靜水剪力和靜水彎矩;

3）生成靜水載荷文件STill.dat;

4）文件格式說明:第1列為站號;第2列為靜水剪力，t;第3列為靜水彎矩，t·m。

4.6 波浪載荷

1）輸入半潛平臺的垂線間長PLP，剪心高度Xs，站數(shù);

2）首部剖面各站處的垂向剪力、垂向彎矩、水平剪力、水平彎矩和扭矩;

3）生成波浪載荷文件CH.DAT;

4）文件格式說明。

從尾部往首部排列。其中第1行分別為垂線間長和剪心高度，m，第2行為站數(shù)，第3行為空行，第4行開始為載荷文件;其中第1列為垂向剪力，MN;第2列為垂向彎矩，MN·m;第3列為水平剪力，MN;第4列為水平彎矩，MN·m;第5列為扭矩，MN·m。垂向彎矩從波浪載荷預(yù)報程序輸出文件中讀取。

4.7 載荷加載

1）以node.dat，STill.dat，CH.DAT作為輸入文件;

2）由集成系統(tǒng)調(diào)用求解程序進(jìn)行載荷計算;

3）輸出載荷加載文件file.s01;

4）選擇Ansys安裝目錄，由程序?qū)⑸傻膄ile.s01更名為semi.s01存放到Ansys目錄下，并啟動Ansys;

5）Ansys中點(diǎn)擊Main menu＞solution＞Load stp option＞Read LS file，在出現(xiàn)的對話框中輸入1，點(diǎn)擊確定，完成加載;

6）在Ansys中完成計算并查看結(jié)果云圖。

圖13 Ansys分析結(jié)果Fig.13 Ansys results

5 結(jié)語

本文依托Orient集成平臺，基于中國近海海況下，對高階水動力快速預(yù)報計算程序、平臺結(jié)構(gòu)安全載荷能力系數(shù)預(yù)報程序的集成技術(shù)進(jìn)行研究。結(jié)論如下:

1）針對中國近海海況，研究了復(fù)雜海況下水動力性能預(yù)報，為海洋平臺的安全性評估預(yù)報奠定基礎(chǔ);

2）針對深海半潛式鉆井平臺，開展水動力計算方法研究;

3）首次在Orient.CAE集成定制平臺上，集成開發(fā)我國近海海況下海洋平臺安全性評估方法軟件，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的深海半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)安全評估軟件，可以為深海半潛式鉆井平臺設(shè)計提供服務(wù)。

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Research on integration technology of offshore platform structural safety assessmentmethod

SHANWei-jun，XU Fang，JIN Jian-hai，ZHOUWei
(China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China）

In this paper，the integration technology of offshore drilling platform structure safety assessment process is studied.It describes the implementation process of the integrated system and function modules.The system is a set of integrated simulation software，developes based on the Orient platform，including pre-post treatment of the hydrodynamic performance forecasting and structural safety analysis process.It provides a convenient user interface，reasonable input and output interfaces，results been displayed in real time and excellent post-processing functions.Standardization and normalization interface，design process standardization and automation have been made.The overall performance of the design can grasp in the design stage and improve work efficiency.

offshore platforms;structure;security;integration

TP391

A

1672－7649(2014）04－0036－07

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.007

2013－06－07;

2013－07－12

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目(［2012］12231203700）

單威俊(1982－），男，碩士，從事CAE二次開發(fā)技術(shù)研究工作。