拖航狀態(tài)的自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析

孫雪榮

（中國(guó)船舶及海洋工程研究設(shè)計(jì)院 上海200011）

拖航狀態(tài)的自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析

孫雪榮

（中國(guó)船舶及海洋工程研究設(shè)計(jì)院 上海200011）

為實(shí)現(xiàn)拖航狀態(tài)的自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度分析，借助DNV系列軟件包，以頻率響應(yīng)分析的方法對(duì)自升式海洋平臺(tái)拖航狀態(tài)時(shí)的橫搖和縱搖固有周期進(jìn)行了計(jì)算；以頻響分析中各相應(yīng)固有周期的RAO值和相關(guān)規(guī)范規(guī)定的6度單幅橫搖或縱搖值確定拖航的計(jì)算波高，并進(jìn)行拖航狀態(tài)時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析；最后采用API-AISC-WSD軟件來(lái)完成樁腿自身結(jié)構(gòu)的屈服和屈曲強(qiáng)度校核，從而為自升式平臺(tái)確定恰當(dāng)?shù)臉锻认倒毯屯虾椒桨柑峁┮罁?jù)。

固有周期；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；拖航狀態(tài)；有限元法

引 言

自升式海洋平臺(tái)主要由平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)、樁腿、升降結(jié)構(gòu)、鉆井機(jī)構(gòu)等組成。拖航狀態(tài)時(shí)，整個(gè)樁腿收回，平臺(tái)重心較高，樁腿的搖擺和風(fēng)傾力矩較大，拖航穩(wěn)性較差；樁腿的動(dòng)彎矩和自身慣性載荷對(duì)升樁機(jī)構(gòu)室附近的樁腿自身結(jié)構(gòu)和升樁機(jī)構(gòu)的上導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。本文希望通過對(duì)自升式平臺(tái)拖航狀態(tài)的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和分析流程研究，為自升式平臺(tái)前期設(shè)計(jì)方面諸如樁腿結(jié)構(gòu)和升樁結(jié)構(gòu)室等提供依據(jù)。

文中借助DNV系列軟件包（GENIE、PATRANPRE、HYDROD、WADAM、SESAM MANAGER等），首先以頻率響應(yīng)分析的方法對(duì)自升式海洋平臺(tái)拖航狀態(tài)時(shí)的橫搖和縱搖固有周期進(jìn)行了計(jì)算；其次，以頻響分析中各相應(yīng)固有周期的RAO值和規(guī)范［1］規(guī)定的6°單幅橫搖或縱搖值，確定了拖航的計(jì)算波高；最后進(jìn)行拖航狀態(tài)時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，依據(jù)API-AISC-WSD軟件進(jìn)行樁腿自身結(jié)構(gòu)的屈服和屈曲強(qiáng)度校核。

1 計(jì)算模型簡(jiǎn)介

文中的計(jì)算模型基于某平臺(tái)處于油田拖航的裝載為計(jì)算工況，樁腿結(jié)構(gòu)分析應(yīng)考慮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其慣性力，油田拖航狀態(tài)下僅考慮平臺(tái)在橫搖或縱搖固有周期下的6°單幅運(yùn)動(dòng)載荷及1.2倍的自身重力載荷［1］，該平臺(tái)的拖航分析模型和平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)圖參見圖1和圖2。

圖1 拖航分析和質(zhì)量分布模型

圖2 樁腿結(jié)構(gòu)示意圖

2 平臺(tái)拖航狀態(tài)計(jì)算

本文并沒有對(duì)海上結(jié)構(gòu)物拖航作業(yè)中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算、波浪載荷計(jì)算及準(zhǔn)靜態(tài)分析等所涉及的理論和原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述（這些均可參見相關(guān)的理論書籍、船級(jí)社規(guī)范和DNV系列軟件用戶手冊(cè)等），只是針對(duì)平臺(tái)拖航狀態(tài)嘗試和探索使用DNV系列軟件包進(jìn)行拖航運(yùn)動(dòng)固有周期計(jì)算、波浪載荷計(jì)算及傳遞、拖航準(zhǔn)靜態(tài)分析以及API-AISC-WSD方法的屈服和屈曲強(qiáng)度校核。

2.1 拖航運(yùn)動(dòng)固有周期計(jì)算

圖3 拖航濕表面模型示意圖

圖4 拖航狀態(tài)的結(jié)構(gòu)有限元模型

平臺(tái)拖航運(yùn)動(dòng)固有周期的計(jì)算借助頻率響應(yīng)分析的方法完成。頻率響應(yīng)計(jì)算的濕表面模型見圖3，質(zhì)量分布及結(jié)構(gòu)模型見圖1和圖4，掃描周期為2 s～25 s、浪向0°～345°的所有單位波［3-4］，由WADAM進(jìn)行運(yùn)動(dòng)響應(yīng)直接計(jì)算，計(jì)算中的臨界阻尼取為0.07；借助后處理程序POSTRESP得到平臺(tái)拖航的橫搖頻率響應(yīng)曲線和縱搖頻率響應(yīng)曲線，見圖5和圖6。

圖5 平臺(tái)橫搖響應(yīng)曲線

圖6 平臺(tái)縱搖響應(yīng)曲線

鑒于自升式平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)為特殊的三角形型式，在平臺(tái)縱搖響應(yīng)曲線中可看到隨不同浪向角的變化，平臺(tái)自身縱搖固有周期會(huì)改變；本文在此并不進(jìn)行展開，只是根據(jù)圖5和圖6確定常規(guī)橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的環(huán)境載荷參數(shù)，見表1。

表1 拖航環(huán)境載荷參數(shù)的確定

表1中的浪向定義：由尾部指向平臺(tái)首部為浪向0°，其余浪向依次逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.2 拖航運(yùn)動(dòng)載荷計(jì)算

確定平臺(tái)拖航的固有周期和RAO后即可確定規(guī)范中6°單幅運(yùn)動(dòng)固有周期對(duì)應(yīng)的波高、橫搖和縱搖固有周期下6°單幅運(yùn)動(dòng)的波高分別為1.7 m和3.8 m，樁靴和主船體及升樁機(jī)構(gòu)室均做簡(jiǎn)化處理，有限元分析的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布模型見圖4。

為避免剛體位移，有限元模型選取三個(gè)不共線的節(jié)點(diǎn)，施加不同的線位移約束［2］，如圖7所示。波浪載荷計(jì)算和傳遞依舊通過HRDROD、WADAM進(jìn)行。

圖7 邊界條件示意圖

在拖航運(yùn)動(dòng)載荷中，風(fēng)、浪、流綜合作用的結(jié)果是使平臺(tái)產(chǎn)生固有周期下的6°單幅運(yùn)動(dòng)，所以拖航計(jì)算載荷中只考慮運(yùn)動(dòng)載荷和1.2倍的自身重力載荷［1］。

2.3 拖航準(zhǔn)靜態(tài)分析

由MANAGER調(diào)用波浪載荷計(jì)算的結(jié)果直接施加于結(jié)構(gòu)分析模型，再調(diào)用后處理程序SESTRA進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，分析結(jié)果通過FRAMEWORK進(jìn)行API-AISC-WSD方法屈服強(qiáng)度和屈曲強(qiáng)度校核。

3 計(jì)算結(jié)果分析

橫搖運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)下升樁機(jī)構(gòu)室的上導(dǎo)向板附近的樁腿UC值較大，UC值大于0.65的屈曲穩(wěn)定性分布圖參見圖8；計(jì)算結(jié)果的最大UC值為0.84。

圖8 縱搖運(yùn)動(dòng)的樁腿較大UC值分布圖

自升式平臺(tái)的拖航狀態(tài)分析的關(guān)鍵在于：

（1）拖航狀態(tài)下模型的自身平衡，模擬的平臺(tái)質(zhì)量和排水量之間的差異盡量?。?/p>

（2）確定拖航狀態(tài)下的橫搖和縱搖固有周期；

（3）計(jì)算和確定6°單幅運(yùn)動(dòng)固有周期下的拖航計(jì)算波高，臨界阻尼的確定直接決定著運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的峰值及拖航計(jì)算波高，一般取0.03～0.07［5］，本文在此直接取0.07；

（4）準(zhǔn)靜態(tài)分析中的結(jié)構(gòu)模型邊界條件要合理，平臺(tái)模型重力和浮力的平衡控制決定了邊界條件處支反力的大小以及計(jì)算結(jié)果的相對(duì)精確性。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)自升式平臺(tái)在拖航狀態(tài)下的樁腿強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究，沒有拓展三角型平臺(tái)主體形式所決定的不同浪向角下不同的縱搖周期，也并沒有對(duì)升樁機(jī)構(gòu)室的上導(dǎo)向板結(jié)構(gòu)在拖航狀態(tài)下的應(yīng)力情況進(jìn)一步校核，只是嘗試和探索了使用DNV系列軟件包進(jìn)行固有周期計(jì)算、水動(dòng)力載荷計(jì)算以及傳遞、結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)分析、樁腿結(jié)構(gòu)的API-AISCWSD方法的校核，為拖航狀態(tài)方案提供初始的依據(jù)，也為后續(xù)的局部構(gòu)件的強(qiáng)度校核提供載荷數(shù)據(jù)。

本文在撰寫過程中得到了我院海工部張海彬博士的指導(dǎo)和建議，在此表示衷心感謝！

［1］ ABS. Rules for Conditions of Classification-Offshore Units and Structures ［S］. 2012.

［2］ DNV. Recommended Practice DNV-RP-C104 Self-Elevating Units［S］. 2011.

［3］ 李輝，任慧龍，陳北燕，等. 深水半潛式平臺(tái)波浪載荷計(jì)算方法研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（3）：122-125.

［4］ 張海彬，沈志平，李小平.深水半潛式鉆井平臺(tái)波浪載荷預(yù)報(bào)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估 ［J］.船舶， 2007（2）：33-38.

［5］ SNAME. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units, Society of Naval Architects and Marine Engineers［M］. Technical & Research Bulletin 5-5A “Site Specific Assessment of Jack-Up Units” （1994/2002）.

Structural strength analysis of self-elevating drilling unit leg in towing condition

SUN Xue-rong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper calculates the roll and pitch natural period of the self-elevating drilling unit legs in towing condition for the structural strength analysis of legs by frequency response analysis method via DNV software package. It also calculates the wave height by the RAO value of the strength analysis of the unit legs and the 6°single amplitude rolling and pitching value in the relevant regulations, and carries out the quasi-static structural analysis in the towing condition. Finally, it checks the yield and buckling structural strength of the unit legs by API-AISCWSD, which provides the basis for the appropriate leg securing and towing scheme.

natural period, structural strength, towing condition, finite element method

U662.1

A

1001-9855（2014）01-0049-04

2013-01-20；

2013-03-01

孫雪榮（1979-），女，高級(jí)工程師,主要從事船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及振動(dòng)噪聲研究。