自升式平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度分析

馮 琦， 陳 艷， 任康旭， 郭培軍

(1. 宏華海洋油氣裝備(江蘇)有限公司，江蘇 南通226256； 2. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

自升式平臺(tái)懸臂梁結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度分析

馮 琦1， 陳 艷1， 任康旭2， 郭培軍1

(1. 宏華海洋油氣裝備(江蘇)有限公司，江蘇 南通226256； 2. 上海船舶工藝研究所，上海 200032)

該文提出了一種手工總縱強(qiáng)度校核方法，并依據(jù)ABS規(guī)范，使用ANSYS軟件校核了自升式平臺(tái)懸臂梁在不同懸伸和不同鉆臺(tái)位置時(shí)的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度。并采用非線性彈簧模擬具有非線性力學(xué)性能的高分子材料，通過(guò)多次迭代計(jì)算懸臂梁在固定載荷、鉆井可變載荷作用下的總縱彎矩和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。結(jié)果表明，該文提出的方法可以快速有效的進(jìn)行懸臂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，對(duì)懸臂梁的設(shè)計(jì)也有一定的指導(dǎo)作用。

自升式平臺(tái)；懸臂梁；總縱強(qiáng)度；非線性

0 前言

自升式平臺(tái)主要工作在水深為10 m～150 m的水域，由于工作時(shí)主船體可以升高至水面以上，而且樁腿所承受的水動(dòng)力比較小，故其具有良好的穩(wěn)定性，應(yīng)用十分廣泛。近年來(lái), 自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)從傳統(tǒng)的純勘探鉆井發(fā)展到勘探和開(kāi)發(fā)鉆井并舉。為此,新建和待建的自升式平臺(tái)幾乎均設(shè)計(jì)成懸臂梁式鉆井平臺(tái),因此研究懸臂梁的總體強(qiáng)度具有十分重要的意義。

1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

圖1 懸臂梁懸伸和鉆臺(tái)偏移

此次分析是基于宏華海洋油氣裝備(江蘇)有限公司設(shè)計(jì)的122 m自升式平臺(tái)，其主尺度見(jiàn)表1。懸臂梁可通過(guò)棘爪爬行裝置和滑移系統(tǒng)沿船艏、船尾方向縱向滑移，主船體上的縱向滑移基座是由橫向楔子結(jié)構(gòu)、縱向銷子結(jié)構(gòu)、垂向支撐結(jié)構(gòu)和艉部滾輪支撐結(jié)構(gòu)組成。懸臂梁上設(shè)置有滑道以支撐鉆臺(tái)，并允許鉆臺(tái)在懸臂梁上進(jìn)行左舷、右舷方向的橫向滑移，懸臂梁懸伸和鉆臺(tái)偏移如圖1所示。

表1 自升式平臺(tái)的主要參數(shù)

2 分析方法

懸臂梁作業(yè)時(shí)主要是通過(guò)平臺(tái)尾部的滾輪提供向上的支撐力，如圖2所示，通過(guò)船中的下拉夾具限制懸臂梁向上的運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖2 滾輪 圖3 下拉限位夾具

懸臂梁可以簡(jiǎn)化為端部和中間簡(jiǎn)支的外伸梁，此模型在受到單位端部集中力和均布力時(shí)，其受力模型如圖4、圖5所示。

圖4 外伸梁受集中載荷剪力彎矩圖 圖5 外伸梁受均布載荷剪力彎矩圖

根據(jù)圖4和圖5可知，最大彎矩和最大剪力均出現(xiàn)在滾輪的位置，滾輪對(duì)應(yīng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)的總縱彎矩起主導(dǎo)作用。

3 總縱彎矩分析

3.1 自重

懸臂梁的自重主要包括懸臂梁的凈重和鉆臺(tái)的凈重。臂梁的凈重包括結(jié)構(gòu)、舾裝、管線、設(shè)備及其內(nèi)部流體等共重1 442 t，凈重采取分段均布載荷的形式，載荷形式分別作用于懸臂梁的2道縱壁；鉆臺(tái)的凈重包括井架、鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)、舾裝、管線、設(shè)備及其內(nèi)部流體等的重量，根據(jù)重量重心的分布，可以換算到懸臂梁上四個(gè)鉆臺(tái)的支撐點(diǎn)處。具體載荷值及所產(chǎn)生的彎矩見(jiàn)表2、表3。

表2 懸伸22.86 m，鉆臺(tái)偏移4.572 m時(shí)的自重分布和對(duì)應(yīng)彎矩

表3 懸伸13.716 m，鉆臺(tái)偏移4.572 m時(shí)的自重分布和對(duì)應(yīng)彎矩

3.2 可變載荷

鉆臺(tái)的可變載荷由鉤載、立根載荷、鉆盤載荷和套管張力載荷依據(jù)鉆臺(tái)的具體位置確定，具體值見(jiàn)表4。根據(jù)載荷的大小及重心位置可求出不同工況下所對(duì)應(yīng)的懸臂梁的總縱彎矩。

運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可確保審計(jì)證據(jù)的獲取、審計(jì)報(bào)告的編寫(xiě)、審計(jì)結(jié)論的得出都是基于真實(shí)、完整、可靠的海量數(shù)據(jù)，通過(guò)深度挖掘數(shù)據(jù)反映的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)合理性與合法性，讓數(shù)據(jù)“發(fā)聲”，可以有效的減少審計(jì)人員的主觀判斷，并且通過(guò)概率比率分析等數(shù)據(jù)輔助決策，可以提高審計(jì)人員職業(yè)判斷的準(zhǔn)確性，從而提高審計(jì)結(jié)論的客觀性與獨(dú)立性。此外，大數(shù)據(jù)時(shí)代的全樣本審計(jì)，能夠降低甚至消滅抽樣風(fēng)險(xiǎn)，幫助審計(jì)人員獲得充分、恰當(dāng)?shù)膶徲?jì)證據(jù)，對(duì)被審計(jì)單位的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行全面審查與整體評(píng)價(jià)，進(jìn)一步增強(qiáng)審計(jì)結(jié)果的客觀性與真實(shí)性。

表4 同懸伸和鉆井平臺(tái)位置的可變載荷

上述的固定載荷和可變載荷在距鉆井中心9 m滑移壁上的載荷分布如圖6所示，其中q1至q6為均布載荷，F(xiàn)1、F2和F3為集中載荷。

圖6 單側(cè)9 m艙壁載荷分布情況

3.3 最大許用總縱彎矩

懸臂梁的總縱彎矩是由距鉆井中心9 m兩道滑移壁來(lái)承擔(dān)，此艙壁沿縱向的剖面形狀有所變化，不同位置的剖面形狀、屬性和所計(jì)算的許用彎矩見(jiàn)表5、表6。其中剖面1、剖面2、剖面3和剖面4距鉆井中心的縱向距離范圍分別是-6 100 mm～6 100 mm、6 100 mm～12 200 mm、12 200 mm～36 600 mm和36 600 mm～46 900 mm。

表5 剖面1和剖面2的屬性和剖面形狀

表6 剖面3和剖面4的屬性和剖面形狀

3.4 不同工況的總縱彎矩

綜合懸臂梁在不同懸伸和不同鉆井位置的固定載荷和可變載荷，可得出其所對(duì)應(yīng)的懸臂梁在不同剖面的總縱彎矩。鉆井平臺(tái)處于不同位置時(shí)所對(duì)應(yīng)各種懸伸的總縱彎矩和許用彎矩的比較如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可知，所有工況下各個(gè)剖面的總縱彎矩都小于所對(duì)應(yīng)的許用彎矩。

圖7 鉆臺(tái)在中心時(shí)各的彎矩比較 圖8 鉆臺(tái)向左舷偏移1.2 m時(shí)的彎矩比較

圖9 向左舷偏移2.7 m時(shí)的彎矩比較 圖10 向左舷偏移4.6 m時(shí)的彎矩比較

4 屈服強(qiáng)度詳細(xì)分析

在保證懸臂梁的總縱強(qiáng)度情況下，還要考察懸臂梁的整體應(yīng)力分布、應(yīng)力集中部位的應(yīng)力分布，比如滾輪和下拉夾具所在位置，特別是在滾輪位置，在艉封板處應(yīng)力集中非常嚴(yán)重，為緩解局部的應(yīng)力集中問(wèn)題，除了要仔細(xì)校核滾輪的數(shù)量和面積是否足夠，還要計(jì)入滾輪的下方高分子材料變形對(duì)強(qiáng)度的影響。

圖11 有限元模型

4.1 有限元模型的建立

圖12 高分子材料載荷變形特性

懸臂梁結(jié)構(gòu)的有限元模型考慮了鉆臺(tái)的布置、滑移裝置、主體、關(guān)節(jié)吊底座局部加強(qiáng)以及鉆臺(tái)支撐處局部加強(qiáng)等。

有限元模型的板和梁系的腹板采用殼體單元shell163建立，梁系的面板和加強(qiáng)筋采用梁?jiǎn)卧猙eam188建立，滑板采用實(shí)體單元solid45建立，載荷的傳遞采用約束單元建立，具體模型如圖11所示，邊界條件采用彈簧單元combin39建立。

4.2 高分子材料的模擬

正常作業(yè)狀態(tài)下懸臂梁的所有載荷通過(guò)四套滑移系統(tǒng)傳遞到主船體上。因此，對(duì)于懸臂梁與船艏接觸區(qū)域，采用線性彈簧單元對(duì)懸臂梁軌道與滑移系統(tǒng)接觸區(qū)域建立邊界條件。對(duì)于懸臂梁與船艉接觸區(qū)域，滾輪下方鋪設(shè)了一層高分子材料，高分子材料的性能如圖12所示，通過(guò)高分子材料變形可以有效緩解該區(qū)域的應(yīng)力集中問(wèn)題，為了精確的模擬高分子材料的作用，采用非線性彈簧模擬具有非線性力學(xué)性能的高分子材料來(lái)建立邊界條件，在ANSYS 中模擬的彈簧特性如圖13所示，加載在模型中的彈簧如圖14所示。

圖13 模擬的彈簧變形特性 圖14 模型邊界條件

4.3 載荷工況確定和求解

假設(shè)操作狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)載荷決定著懸臂梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于懸臂梁外伸出船體長(zhǎng)度的不同，施加在懸臂梁上的最大可變載荷也不同。如下所示為兩種極端外伸工況需要考慮：外伸75英尺 (22.86 m, 最大外伸長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)最大彎矩工況)；外伸50英尺(15.24 m, 最大可變載荷對(duì)應(yīng)最大剪力工況)；在ANSYS中主要校核以下四種極限位置組合工況：懸伸22.86 m，鉆井平臺(tái)處于中線位置，最大可變載荷為1 180 t；懸伸22.86 m，鉆井平臺(tái)向右舷偏移4.57 m，最大可變載荷為495 t；懸伸13.716 m，鉆井平臺(tái)處于中線位置，最大可變載荷為1 180 t；懸伸13.716 m，鉆井平臺(tái)向右舷偏移4.57 m，最大可變載荷為1 180 t。

其他載荷和總縱彎矩校核中的載荷相同。求解的結(jié)果分別如圖15～圖21所示，應(yīng)力值均在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。

圖15 工況1的von mises 應(yīng)力云圖 圖16 工況2的von mises 應(yīng)力云圖

圖17 工況3的von mises 應(yīng)力云圖 圖18 工況4的von mises 應(yīng)力云圖

圖19 最大正應(yīng)力σX 圖20 最大正應(yīng)力σZ 圖21 最大剪應(yīng)力τX(jué)Z

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)手工的總縱強(qiáng)度校核和有限元分析，懸臂梁在長(zhǎng)度方向的最大正應(yīng)力均出現(xiàn)在滾輪支撐對(duì)應(yīng)的位置，所以在懸臂梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，懸臂梁作業(yè)時(shí)滾輪對(duì)應(yīng)的懸伸長(zhǎng)度區(qū)域內(nèi)要進(jìn)行加強(qiáng)。

(2) 非線性高分子材料的應(yīng)用，可以有效緩解應(yīng)力集中，約束區(qū)域的應(yīng)力分布趨向合理。

(3) 懸伸長(zhǎng)度和可變載荷對(duì)懸臂梁的強(qiáng)度起到了決定性作用。

(4) 鉆臺(tái)的橫向移動(dòng)，對(duì)縱向艙壁的影響較大。

(5) 最大剪力的位置也出現(xiàn)在滾輪對(duì)應(yīng)區(qū)域，和理論分析方法相符。

(6) 該文中提及的計(jì)算方法，可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行懸臂梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，對(duì)懸臂梁的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

[1] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S].2011.

Overall Structure Yield Analysis of a Jack-up Cantilever

FENG Qi1， CHEN Yan1， REN Kang-xu2， GUO Pei-jun1

(1. Honghua Offshore Oil & Gas Equipment (Jiangsu) Co., Ltd , Jiangsu Nantong 201206， China；2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The overall structural strength analysis of a jackup cantilever structure is presented in this paper for the cases of different cantilever positions and various drill floor offsets according to the ABS rules. The analysis is performed using a commercial finite element software ANSYS and hand calculation. Non-linear springs are used to simulate polymer which has non-linear mechanic property .Iteration method is used to calculate the general moment and von mises stress which are caused by dead loads and variable drilling loads. Two method calculations prove the methods in this paper can make cantilever strength analysis fast and acceptable and give reference for future cantilever basic design.

jack-up; cantilever; overall strength; non-linear

2015-09-15

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“自升式多功能服務(wù)平臺(tái)研發(fā)”(BK20130399)。

馮 琦(1978-)，男，博士。

1001-4500(2015)05-0061-07

P75

A