自升式平臺的局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

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(1.浙江海洋學(xué)院 船舶海洋工程學(xué)院，浙江舟山 316000; 2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，山東青島 226071)

海洋平臺結(jié)構(gòu)龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中往往考慮主要因素，忽略一些次要因素。如結(jié)構(gòu)的開孔，在直接計(jì)算過程中一般不考慮，但在實(shí)際中，由于開孔的影響，會導(dǎo)致在孔附近發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度減弱。上述這些問題，在一般情況下不會直接對結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。但由于海洋平臺要長期處于海洋環(huán)境中，在極端海洋環(huán)境條件下，上述問題可以會持續(xù)發(fā)生;而且，如果發(fā)生在平臺的主要構(gòu)件上，可能會導(dǎo)致平臺失效，從而嚴(yán)重威脅人員生命安全并造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。對于海洋結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力集中問題[1-8]，現(xiàn)有成果的主要研究對象為平臺樁腿、平臺整體及平臺與樁腿連接處，針對自升式平臺主體的艙壁開孔的應(yīng)力集中問題研究很少。本文利用有限元法，計(jì)算分析自升式海洋平臺縱艙壁和橫艙壁上開孔前后的應(yīng)力及其影響。

1 自升式平臺結(jié)構(gòu)的有限元模型

以勝利作業(yè)七號自升式平臺為例進(jìn)行研究。勝利作業(yè)七號自升式作業(yè)平臺是一艘獨(dú)立樁腿的自升式海洋平臺，鋼質(zhì)非自航，結(jié)構(gòu)由平臺主體、樁腿和升降系統(tǒng)三部分組成,見圖1。平臺主體為三角形箱形結(jié)構(gòu)，帶有懸臂梁系統(tǒng)。平臺型長39 m、型寬36 m、型深4.6 m。平臺設(shè)三根圓柱形樁腿(帶樁靴)，艏一艉二，樁腿長60 m、直徑2.5 m。樁腿底部帶有5.7 m×5.7 m×1.6 m的正八角形樁靴。平臺主體甲板劃分為：船艏生活區(qū)、船舯工程設(shè)備區(qū)和船艉作業(yè)區(qū)。平臺的主要任務(wù)是在水深40 m范圍內(nèi)的渤海灣海域進(jìn)行海上作業(yè)。

圖1 勝利作業(yè)七號平臺總布置

利用MSCPATRAN建立平臺的有限元模型，見圖2。

圖2 平臺結(jié)構(gòu)的有限元模型

在平臺縱艙壁和橫艙壁上開孔，①號孔為右距中5 000 mm縱艙壁開孔；②號孔為左距中5 000 mm縱艙壁開孔；③號孔、④號孔分別為51#肋位橫艙壁右孔、左孔。開孔形狀為圓角矩形，規(guī)格為1 650 mm×800 mm，圓角半徑為180 mm，見圖3。對開孔處局部單元進(jìn)行細(xì)化，見圖4。

圖3 平臺主體縱橫艙壁上的開孔位置

圖4 縱艙壁上開孔的局部單元細(xì)化

該平臺主體節(jié)點(diǎn)數(shù)23 846個、單元數(shù)48 842個；樁腿用殼單元模擬，樁內(nèi)進(jìn)行縱向加強(qiáng)；樁腿上的開孔直徑為300 mm、孔間隔為1 500 mm，孔周圍進(jìn)行局部單元細(xì)化，見圖5。

圖5 樁腿開孔的局部單元細(xì)化

樁腿上的節(jié)點(diǎn)數(shù)為89 083個、單元數(shù)92 322個，其中殼單元88 962個、梁單元3 360個。平臺與樁腿之間采用MPC連接，每根樁腿使用3個MPC與平臺相連接。

利用莫里森公式，計(jì)算得每根樁腿的波浪力為660 kN,平臺風(fēng)載荷總和最大為1 498 kN。其中波浪力平均分布在樁腿上，風(fēng)載荷平均分布在平臺的受風(fēng)面上。利用NASTRAN，計(jì)算平臺在自存狀態(tài)下的局部應(yīng)力。

2 不同開孔形狀對應(yīng)力的影響

考慮開孔的形狀為圓角矩形、矩形孔和圓形。孔的規(guī)格分別：①圓角矩形1 650 mm×800 mm，圓角半徑180 mm；②矩形1 650 mm×800 mm；③圓形，直徑1 650 mm。見圖6。

圖6 三種開孔的形狀

計(jì)算開孔為不同形狀時，孔周圍節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力，①號、②號、③號和④號孔上的最大應(yīng)力對比情況見表1。

表1不同形狀時應(yīng)力的最大值 MPa

由表1可見，開孔為圓角矩形時的應(yīng)力值明顯小于矩形孔時的應(yīng)力；開孔為圓形時的應(yīng)力值最小，矩形開孔應(yīng)力值最大。

3 開孔后不同加強(qiáng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

考慮開孔處采用增加面板、周圍框架加強(qiáng)和直接開孔無加強(qiáng)時(見圖7)，計(jì)算開孔處鉛垂方向上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，并與沒有開孔時的平臺應(yīng)力進(jìn)行對比。在①號孔鉛垂方向取節(jié)點(diǎn)，分析節(jié)點(diǎn)的X方向、Y方向和von Mises應(yīng)力，結(jié)果見圖8。由圖8可見，孔上下兩端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力比不開孔時有明顯增大，而且，開孔邊緣增加面板時的應(yīng)力為最小。

圖7 開孔處3種加強(qiáng)方式

圖8 ①號孔處鉛垂方向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

計(jì)算①號孔處水平方向節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，并與沒有開孔時的平臺應(yīng)力進(jìn)行對比，分析節(jié)點(diǎn)的X方向、Y方向和von Mises應(yīng)力，結(jié)果見圖9。由圖8可見，孔左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力卻比不開孔時有明顯減小，但在離孔一定距離外(大約等于孔直徑)應(yīng)力有所增加。這是由于結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)而引起的。

計(jì)算③號和④號孔處水平方向節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力，并與沒有開孔時的平臺應(yīng)力進(jìn)行對比，得出節(jié)點(diǎn)的X方向、Y方向和von Mises應(yīng)力，結(jié)果見圖10。由圖10可見，孔左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力都比不開孔時有明顯減小，但在離孔一定距離外的應(yīng)力都有所增加。

圖9 ①號孔處水平方向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖10 ③和④號孔處節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

以下再考慮艙壁開孔邊緣上的應(yīng)力?？紤]在開孔處上加面板、開孔周圍利用框架進(jìn)行加強(qiáng)和直接開孔無加強(qiáng)這3種情況下，計(jì)算自升式平臺結(jié)構(gòu)開孔邊緣的應(yīng)力，對縱艙壁和橫艙壁上開口附近的應(yīng)力進(jìn)行分析。見圖11、12。

圖11 ①號孔邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖12 ③號孔邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

從以上結(jié)果可以看出，在開孔的4個角上，應(yīng)力明顯增大；在開孔上增加面板可以顯著降低孔邊緣的應(yīng)力，其中，開孔加面板時①號孔邊緣的最大應(yīng)力比沒有面板時的應(yīng)力降低30%，開孔加面板時③號孔邊緣的最大應(yīng)力比沒有面板時的應(yīng)力降低24%。

4 開孔對樁腿應(yīng)力的影響分析

平臺采用液壓升降式，殼體式樁腿上要進(jìn)行開孔，將銷釘插入。通過孔周圍局部單元細(xì)化，計(jì)算孔周圍的應(yīng)力。見圖13。

圖13 艏樁底板下第一個孔周圍局部單元應(yīng)力云圖

圖14 艏樁右側(cè)孔周圍應(yīng)力

由圖14可見，艏樁平臺底板下右側(cè)第1個孔周圍的最大應(yīng)力達(dá)到249 MPa；而左側(cè)第1個孔周圍的最大應(yīng)力僅42.3 MPa，這是由于樁腿受壓和彎曲組合而造成。

在艏樁右側(cè)開孔周圍，考慮水平沿圓周方向的節(jié)點(diǎn)，其應(yīng)力見圖14a)；而鉛垂方向的節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力如圖14b)。由計(jì)算結(jié)果可見，孔周圍水平方向節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力急劇增加；而孔周圍垂直方向上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力卻都降低。這是由于樁腿主要承受垂直方向載荷和橫向彎曲有關(guān)。

5 結(jié)論

1)自升式平臺主體艙壁上的開孔對周圍造成一定的影響。開孔為圓角矩形時的應(yīng)力值明顯小于矩形孔時的應(yīng)力；開孔為圓形時的應(yīng)力值最小，矩形開孔時的應(yīng)力值最大。

2)在沿開孔邊緣節(jié)點(diǎn)中，在開孔的4個角上，應(yīng)力明顯增大；在開孔上增加面板可以顯著降低孔邊緣的應(yīng)力。

3)平臺主體艙壁上，孔周圍水平方向節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力急劇增加；而孔周圍垂直方向上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力卻都降低。

4)考慮開孔時，平臺樁腿上的應(yīng)力集中系數(shù)急劇增加，孔周圍水平環(huán)向節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力急劇增加；而孔周圍垂直方向上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力卻都降低。

5)由于樁腿受力不均勻，不同位置的開孔附近的應(yīng)力差別很大，這取決于樁腿載荷形式。

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