利用上層建筑外圍艙壁吊裝超大模塊強度分析

張忠鵬，張譚龍，杜之富，徐紅梅，李 磊，韓華偉，張 工

(煙臺中集海洋工程研究院，山東 煙臺 264000)

利用上層建筑外圍艙壁吊裝超大模塊強度分析

張忠鵬，張譚龍，杜之富，徐紅梅，李 磊，韓華偉，張 工

(煙臺中集海洋工程研究院，山東 煙臺 264000)

利用ABAQUS有限元分析軟件并參考相關(guān)海洋工程操作規(guī)范，對設(shè)計有大型上層建筑結(jié)構(gòu)的海洋鉆井平臺整體上船體模塊的吊裝強度進行有限元分析，并利用整體分析的結(jié)果數(shù)據(jù)和子模型的方法詳細(xì)評估吊點附近結(jié)構(gòu)的開孔應(yīng)力集中情況，形成指導(dǎo)吊裝加強及操作的分析報告，對比有限元分析所得數(shù)據(jù)與吊裝過程中實測的數(shù)據(jù)，驗證有限元分析方法的可行性和有效性。

ABAQUS；有限元分析；上層建筑；吊裝

隨著深海油氣資源的勘探和開發(fā)，海洋半潛式鉆井平臺目前成為了主要的海洋工程裝備。自1961年第一座半潛式鉆井平臺誕生以來，隨著建造工藝的不斷改進演變出了不同的建造合攏方式。主要有平地搭積木法、船塢內(nèi)軌道滑移法和海上浮托法以及中集來福士獨創(chuàng)的“泰山吊”法。

“泰山吊”法，即利用2萬t“泰山”吊起重達萬t以上的上船體一次完成與下船體的合攏操作。半潛式鉆井平臺上船體一般設(shè)計有較大的上層建筑生活區(qū)，上層建筑板厚一般為6～8 mm且內(nèi)部舾裝較脆弱，這些因素為在上層建筑上設(shè)置吊點帶來了很大困難和風(fēng)險。在利用8 mm的上層建筑外圍艙壁起吊1萬多t的上船體時，上層建筑外圍艙壁的強度是否滿足要求是決定吊裝安全性與否的至關(guān)重要的因素?，F(xiàn)以中集來福士公司成功合攏的深水半潛式鉆井平臺COSLPROSPECTOR為例，介紹利用ABAQUS[1-2]軟件根據(jù)實際的吊裝操作環(huán)境，校核吊裝過程中上船體結(jié)構(gòu)的強度情況。

1 吊機參數(shù)和操作介紹

1.1 “泰山”吊參數(shù)

“泰山”吊參數(shù)如下。

最大起重能力：20 160 t;

起重高度：低橫梁83 m,高橫梁113 m;

橫梁跨距：120 m;

低橫梁移動距離：±7 m;

橫梁間距：35.5～49.5 m;

吊升速度：0～0.3 m/min。

“泰山”吊機仿真模型見圖1。

圖1 兩萬t“泰山”吊機

1.2 吊裝要求介紹

“泰山”吊機可以在35.5～49.5 m的范圍內(nèi)通過兩根橫梁上的吊鉤安裝在上船體結(jié)構(gòu)內(nèi)部兩道貫穿艙壁上進行起吊。

吊機兩根橫梁上的吊鉤要裝配在上船體的艙壁上，需在相應(yīng)艙壁頂端焊裝上吊機吊鉤裝配專用的帶銷軸的吊裝板，見圖2。

圖2 吊鉤裝配用的帶銷軸的吊裝板

2 上船體吊裝有限元模型

建立模型采用右手法則坐標(biāo)系，有限元分析主要關(guān)注吊點以及吊點附近結(jié)構(gòu)的強度，故模型的其他區(qū)域結(jié)構(gòu)可以簡化。上船體外圍艙壁、甲板和縱向橫向艙壁采用4節(jié)點和3節(jié)點殼體單元進行模擬，吊點附近結(jié)構(gòu)的T型材腹板同樣采用殼體單元模擬，其他的扶強材、強梁等可通過兩節(jié)點的梁單元簡化模擬，上船體整體吊裝模型見圖3。

圖3 上船體有限元分析模型

吊點附近結(jié)構(gòu)子模型的建立主要校核開孔的應(yīng)力集中情況。模型建立的關(guān)鍵點是在模型網(wǎng)格單元的劃分時，開孔周圍網(wǎng)格一般設(shè)置成板厚1.5倍的大小，COSLPROSPECTOR上船體吊裝在上層建筑上設(shè)置吊點的區(qū)域子模型見圖4。

圖4 上層建筑的吊點區(qū)域子模型

上船體結(jié)構(gòu)材料采用DH36高強鋼，材料屈服極限強度為σs=355 MPa,在ABAQUS的屬性模塊中輸入如下參數(shù)：彈性模量E=206 GPa；泊松比μ=0.3；密度ρ=7 850 kg/m3。

3 約束條件的模擬

現(xiàn)場COSLPROSPECTOR起吊進行上下船體大合攏的照片見圖5。在有限元模型的建立中，以兩點組成的帶剛度彈簧來模擬吊裝鋼絲繩。彈簧的一個端點連接到上船體模型中的吊裝軸板上，另一端連接到約束了6個自由度的固定點上,以模擬吊機橫梁對吊裝鋼絲繩的垂向作用。

圖5 COSLPROSPECTOR現(xiàn)場吊裝現(xiàn)場

后續(xù)對整個上船體有限元模型運行分析，在ABAQUS分析軟件所產(chǎn)生的結(jié)果文件中會包含odb和prt兩個運行結(jié)果文件，對吊點附近結(jié)構(gòu)進行開孔的子模型分析中，分析約束條件的模擬會利用這兩個文件自動插補出來。整體和子模型分析約束條件的模擬見圖6、圖7。

圖6 上船體整體分析的約束條件

圖7 吊點區(qū)域子模型分析的約束條件

4 載荷和工況設(shè)置

4.1 載荷施加

上船體重量主要由鋼結(jié)構(gòu)、機械設(shè)備、管道、電纜等產(chǎn)生，在 ABAQUS有限元分析軟件中以無結(jié)構(gòu)質(zhì)量點模擬上船體中各種小重量分散構(gòu)件的質(zhì)量，以帶坐標(biāo)的點質(zhì)量模擬5 t以上設(shè)備的重量，整船結(jié)構(gòu)的重量以調(diào)節(jié)材料密度的方式進行調(diào)整，施加整體重力加速度9.81 m/s2，見圖8、9。

圖8 小重量分散構(gòu)件質(zhì)量的施加

圖9 重型設(shè)備質(zhì)量的施加

4.2 工況設(shè)置

對于萬t級的上船體吊裝大合攏操作，必須選擇在天氣條件非常好的情況下進行，再結(jié)合從吊裝到合攏完成的整個過程都是在船塢內(nèi)進行的，且吊機起升過程非常緩慢，故參考國內(nèi)外吊裝方面的相關(guān)規(guī)范，對吊點和吊點附近結(jié)構(gòu)分別取不同的安全系數(shù)即可，無須參考海上吊裝要設(shè)置復(fù)雜的分析工況[3-4]。

5 計算結(jié)果分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)屈服強度合成應(yīng)力的校核公式[5]，對于板殼構(gòu)造，結(jié)構(gòu)的 Von Mises應(yīng)力應(yīng)小于材料屈服極限除以相應(yīng)的安全系數(shù)。合成應(yīng)力計算公式如下。

σallow=σs/f

式中：σxd——沿x方向的正應(yīng)力；

σyd——沿y方向的正應(yīng)力；

τd——平面內(nèi)的剪應(yīng)力；

σallow——結(jié)構(gòu)的許用計算應(yīng)力；

σs——材料的屈服極限；

f——設(shè)置的安全系數(shù)。

5.1 上船體分析結(jié)果的評估

對整個上船體的分析，主要為評估主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平與材料的許用應(yīng)力對比情況，上船體內(nèi)各主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平

ABAQUS有限元分析上船體整體吊裝的Von Mises應(yīng)力見圖10，從應(yīng)力云圖的分布和大小可概括判斷出吊裝過程中結(jié)構(gòu)的強度是否滿足要求。

圖10 上船體應(yīng)力云圖

5.2 吊點結(jié)構(gòu)子模型分析的評估

對于吊點及附近結(jié)構(gòu)的子模型分析，主要評估兩個連接有鉤頭的艙壁及附近結(jié)構(gòu)的開孔應(yīng)力集中情況，尤其要關(guān)注上層建筑外圍板的應(yīng)力情況，從局部細(xì)節(jié)來評估吊裝對結(jié)構(gòu)的影響，給出結(jié)構(gòu)的加強方案。如上層建筑外圍板上本來分布有大量較密的門窗開孔，經(jīng)子模型分析吊裝強度不滿足，故吊裝前門窗孔全沒有開。吊點艙壁應(yīng)力分布見圖11、12。

圖11 首部吊點艙壁應(yīng)力圖

圖12 尾部吊點艙壁應(yīng)力圖

5.3 分析所得支反力與實測值比較

吊機的兩根橫梁上各安裝有6個卷揚機構(gòu)，每個卷揚機構(gòu)內(nèi)都配置有受力傳感器，可以在監(jiān)控室的電腦上檢測出起吊過程中每組卷揚機構(gòu)所提供升力的大小情況。

分析所得支反力與檢測值的比較見表2、3，可知上船體吊裝的有限元分析在某些方面的準(zhǔn)確率可達到80%。

表2 首部吊點分析值與檢測值的比較 t

表3 尾部吊點分析值與檢測值的比較 t

6 結(jié)論

通過對萬噸級半潛式鉆井平臺上船體吊裝的有限元分析評估與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證了有限元分析方法的可行性和有效性。此吊裝分析與傳統(tǒng)的吊裝分析最大區(qū)別為吊點要設(shè)置在8 mm厚的上層建筑薄板結(jié)構(gòu)上。文中主要對結(jié)構(gòu)的屈服強度進行了有限元法分析，對薄板結(jié)構(gòu)的屈曲和變形分析還有待于進一步研究。

[1] 莊 茁．ABAQUS有限元軟件6.4版入門指南[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[2] 石亦平，周玉蓉．ABAQUS有限元分析實例詳解[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2006．

[3] 邱隆寶．船舶起重工[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2008．[4] 挪威船級社.RULES FOR MARINE OPERATIONS[S],1996.

[5] 挪威船級社.OFFSHORE STANDARD DNV-OS-C101[S],2004.

The Lifting Strength Analysis of Overlarge Module by theOutboard Bulkhead of Superstructure

ZHANG Zhong-peng, ZHANG Tan-long, DU Zhi-fu, XU Hong-mei,LI Lei, HAN Hua-wei, ZHANG Gong

(Yantai CIMC Offshore Engineering Institute, Yantai Shandong 264000, China)

A global lifting FE analysis for the upper hull of offshore rig with overlarge superstructure is performed by using ABAQUS according to the relevant marine operation rules, and the stress concentration around holes nearby the lifting points are also analyzed through the result of global lifting analysis and sub-model technique. A scheme of lifting reinforcement and a manual instruction for the lifting operation are completed by evaluating the global lifting strength and local stress concentration. Through the comparison between the FEA results and the measured data of sensor during lifting, the strength analysis method is verified.

ABAQUS; lifting; finite element analysis; superstructure; lifting

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.035

2014-09-12

張忠鵬(1982-)，男，學(xué)士，工程師

U661.43

A

1671-7953(2015)01-0137-04

修回日期：2014-09-28

研究方向:海洋鉆井平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析

E-mail:zhongpeng.zhang@cimc-raffles.com