深海半潛式鉆井平臺上部船體極限承載力分析

彭丹丹 傅 杰 劉 昆

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮(zhèn)江 212003）

深海半潛式鉆井平臺上部船體極限承載力分析

彭丹丹 傅 杰 劉 昆

（江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 鎮(zhèn)江 212003）

新一代半潛式鉆井平臺趨于采用節(jié)點少、無撐桿的簡單結構外形。由于其在深海作業(yè)往往面臨極其惡劣的海洋環(huán)境，因此平臺結構的安全性顯得尤為重要。ABS MODU規(guī)定要考慮半潛式平臺在橫撐結構失效后的剩余強度問題。文章基于有限元分析軟件Abaqus，采用準靜態(tài)法計算分析橫撐失效后上部船體結構在橫開、橫關兩種載荷模式下的極限承載能力；同時，基于“面積涂抹” 技術對模型進行簡化，而后計算簡化模型的極限強度并對簡化方法進行了討論。研究成果可對新型半潛平臺結構設計提供參考，也可為大型結構極限強度計算有限元簡化計算提供借鑒。

半潛平臺；上部船體結構；極限承載力；有限元方法；準靜態(tài)法

引 言

船舶與海洋結構設計方法正逐漸從傳統(tǒng)的許用應力設計向極限狀態(tài)設計轉變。半潛式鉆井平臺作為一種可靠性較高的鉆井裝置，具有運動響應小、對水深不敏感、鉆井作業(yè)穩(wěn)定性好、可再次移動就位等優(yōu)勢［1］。隨著半潛式平臺的發(fā)展，平臺結構不斷簡化，趨于采用節(jié)點少、無撐桿的結構形式，但這卻大大降低了平臺的極限強度［2］。

近年來，半潛式平臺極限承載力的研究越來越受到學者們普遍關注。嵇春艷等［3］系統(tǒng)分析了平臺首部橫撐破損、腐蝕等結構損傷對平臺整體極限承載力的影響；祁恩榮等［4］采用簡化法和解析法分別計算半潛平臺總縱極限強度，并進行比較研究；徐志亮等［5］采用非線性有限元法計算完好狀態(tài)下浮體的極限強度值，并研究不同服役時間腐蝕對浮體極限強度的影響；姜峰等［6］采用非線性有限元法計算半潛式平臺局部結構的極限強度，并分析各參數(shù)對平臺局部結構極限強度的影響；劉昆等［7-8］采用有限元計算方法，以平臺甲板板架為基礎進行結構極限強度計算的有限元模型化技術研究，驗證計算方法的可靠性，基于該方法對半潛平臺撐桿結構極限承載力進行計算，并分析初始確定對結構極限承載力的影響。上述研究成果主要集中在對半潛式平臺局部結構極限承載力開展有限元計算，而平臺整體結構極限承載能力，尤其是部分構件損傷后平臺結構的剩余極限承載能力對于平臺結構的安全可靠性評估是十分重要的。

本文以上部船體結構為主要研究對象，分析橫撐結構失效后其在橫開/關兩種橫浪載荷模式下的極限承載能力。另外，從節(jié)省計算資源、便捷高效計算結構極限承載力出發(fā)，基于“面積涂抹”技術對結構進行簡化，計算簡化模型的極限承載力并與實際結構極限承載力進行比較。通過本文數(shù)值仿真分析得到目標平臺上部船體在橫浪載荷下的極限承載力及結構失效模式，可用于評估上部船體結構的極限強度。

1 平臺上部船體結構極限承載力計算

1.1 半潛式鉆井平臺簡介

目標平臺的主體結構具有雙浮體、四立柱和上部船體結構，其首尾立柱間各用2根橫撐連接，如圖1所示。其中上部船體共有4層，設置10道縱艙壁和7道橫艙壁；甲板及艙壁為加筋板、梁結構。由于作業(yè)需要，上船體中部設有貫穿大型開口，用于鉆井及下放防噴器等作業(yè)。

圖1 3 000 m深海半潛式鉆井平臺效果圖

1.2 有限元模型

由于考慮橫撐失效后結構極限承載力，故有限元結構模型為除橫撐以外的全部主要結構，包括上部船體結構、立柱結構、下浮體結構等，如圖2所示。其中，x軸沿上部船體長度方向，y軸沿寬度方向，z軸沿高度方向。甲板、艙壁及大的加強構件采用殼單元（S4R）建立，結構的骨材及加強筋等均采用梁單元（B31）建立。網(wǎng)格大小尺寸為縱骨間距，所有結構材料均為AH32高強鋼，其屈服應力σY=315 MPa，楊氏模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料假設為理想彈塑性模型，采用顯式動態(tài)求解器，利用準靜態(tài)方法計算［9-10］。

圖2 半潛平臺結構有限元模型

1.3 計算工況

本文關注的上部船體結構主要是在橫浪載荷下，水平橫撐失效后才起到承受載荷保護結構安全的作用，因此以橫浪作用下的兩下部浮體發(fā)生橫開和橫關運動作為計算工況，具體工況簡述如下：

LC1——橫開變形，兩浮體相互分離，通過立柱使得上部船體結構發(fā)生中垂變形；

LC2——橫關變形，兩浮體相互靠近，通過立柱使得上部船體結構發(fā)生中拱變形。

1.4 約束和載荷

載荷模式為橫浪工況下引起的橫開力及橫關力。橫開力或橫關力主要由于橫浪下的下浮體及立柱結構受到波浪的壓力合力引起，載荷主要是由下浮體通過立柱傳遞于上部船體結構，最后由上部船體結構承受。在數(shù)值仿真分析時對橫開力和橫關力作如下簡化處理：不包括水平橫撐在內(nèi)的整個平臺結構模型，參考點與立柱下方下浮體底部節(jié)點耦合，其中一側兩個參考點約束全部自由度，另一側兩參考點施加位移載荷來實現(xiàn)對結構的加載。施加約束及載荷后的有限元模型如圖3所示。

圖4 載荷位移曲線

圖3 施加約束及載荷后的結構模型

1.5 計算結果及分析

圖4和下頁圖5分別為平臺在兩種計算工況下的載荷位移曲線及極限狀態(tài)損傷變形情況，采用2倍斜率法［11］從載荷位移曲線上得到平臺上部船體結構極限承載力在橫開和橫關工況下分別為141.1 MN和130.6 MN。在橫開工況下，上部船體結構中上甲板受壓發(fā)生較為顯著的屈曲變形，下甲板結構主要受力方式為拉應力為主，失效模式主要表現(xiàn)為屈服失效；在橫關工況下，下甲板因受壓發(fā)生較為顯著的屈曲變形。立柱與平臺上部船體相連接處的上部船體結構發(fā)生明顯的塑性屈曲，沿下浮體方向的下甲板結構也發(fā)生較大的塑性變形；立柱上方對應的上部船體結構的塑性變形較大，結構的應力也較大，該載荷模式下結構極限承載能力較低，因此對上述容易發(fā)生塑性變形的結構區(qū)域進行加強，或采用結構優(yōu)化可提高結構在橫關工況下的極限強度。兩工況下立柱結構主要起到力傳遞的作用，因此結構的應力并不大。

圖5 平臺結構極限狀態(tài)應力云圖

圖6 等效后結構有限元模型

2 平臺結構簡化模型極限強度分析

由于半潛平臺尺寸大，結構復雜，建立結構整體詳細的模型進行非線性計算就會耗費巨大計算資源且經(jīng)常由于計算量大導致計算不易收斂，為此本部分嘗試對平臺結構采用“面積涂抹技術”（該技術按照質量等效原則，將小的骨材、加強筋及骨材面板等小尺寸構件的厚度均勻地附加在主要結構件上，以簡小模型單元數(shù)量、提高最小單元的特征長度，以提高計算效率），將一些加筋和骨材等小尺寸構件的厚度均勻地附加在相應的主要構件上。簡化后平臺結構有限元模型如圖6所示。約束、載荷及計算工況同本文第1部分。

下頁圖7為平臺模型等效簡化后橫開、橫關工況下的載荷位移曲線，通過與1.5部分簡化前計算結果比較可以發(fā)現(xiàn)，結構極限承載力載荷位移曲線的形狀趨勢與等效前平臺計算得到的曲線基本相同，極限載荷分別為99.01 MN和84.82 MN，各自減小29.8%和35%，相差較大。通過比較、分析兩模型的結構損傷變形，發(fā)現(xiàn)簡化模型中結構的失效主要發(fā)生在上部船體最外層圍壁結構。上部船體甲板板厚增加使得圍壁結構相對剛度變小，導致圍壁結構的應力增加，容易發(fā)生屈曲失效。此外，部分等效構件自身也發(fā)生失效，且有著不同的失效模式。將其等效成相應板厚后，會改變其失效模式，大部分會變成彎曲及拉壓變形，承受載荷的能力自然降低。

上述計算結果表明，利用“面積涂抹技術”進行等效的模型計算結構強度需確定加載方式及結構失效模式，對于本文分析平臺結構主要承受彎曲載荷作用時的極限承載力計算結果誤差較大，需要分析該等效方法在不同加載方式下（拉、壓、剪、扭等）的計算精度。此外，還需要進一步研究具有不同變形特點的不同區(qū)域構件的等效方案。

圖7 載荷位移曲線

3 結 論

本文采用準靜態(tài)法計算分析橫撐失效后平臺上部船體結構在橫開、橫關兩種載荷模式下的極限承載能力，同時計算了簡化模型的極限強度并對簡化方法進行討論。主要結論如下：

（1）平臺上部船體結構極限承載力在橫開和橫關工況下分別為141.1 MN和130.6 MN，上部船體受壓的甲板結構發(fā)生較為顯著的屈曲變形，受拉的則主要表現(xiàn)為屈服失效，兩工況下立柱結構主要起到力傳遞的作用，結構的應力不大。

（2）通過對采用“面積涂抹技術”的簡化模型計算分析表明，對于本文分析平臺結構主要承受彎曲載荷作用時的極限承載力計算結果誤差較大，需要進一步開展該等效方法在不同加載方式下的計算精度分析以及具有不同變形特點的不同區(qū)域構件的等效方案研究，為復雜結構的簡化模型建立提供參考。

［ 1 ］ 馬延德，張松濤，劉偉偉.大型半潛式鉆井平臺安全關鍵技術研究［J］. 中國造船，2003（2）：53-60.

［ 2 ］ 朱雙龍，竇培林. 不同撐管結構的半潛式平臺極限強度比較研究［J］.中國海洋平臺，2014（1）：32-36.

［ 3 ］ 嵇春艷，張圓緣，王朝，等. 局部構件破損對半潛式平臺極限承載力的影響分析［J］. 船舶，2013（4）：28-33.

［ 4 ］ 祁恩榮，龐建華，吳東偉. 半潛式平臺極限強度可靠性研究［J］. 船舶力學，2011（4）：371-376.

［ 5 ］ 徐志亮，王德禹. 腐蝕影響下半潛平臺浮體的時變極限強度［J］. 海洋工程，2011（4）：81-86.

［ 6 ］ 姜峰. 基于非線性有限元方法的半潛式平臺極限強度研究［D］. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

［ 7 ］ 劉昆，張延昌，王自力. 基于Abaqus船體板架極限承載力數(shù)值仿真分析［C］. 中國造船工程學會學術論文集，2012：189-198.

［ 8 ］ 劉昆，張延昌，王璞，等. 半潛式鉆井平臺撐桿結構極限承載力數(shù)值仿真計算［J］. 江蘇科技大學學報（自然科學版），2012（5）：430-433.

［ 9 ］ 溫保華， 洪偉， 吳嘉蒙. 淺談極限強度在船舶結構設計的運用［J］. 上海造船，2007：8-10.

［10］ 彭大偉，張世聯(lián). 結構極限強度分析的三種有限元解法研究［J］. 中國海洋平臺，2010（2）：1-5.

［11］ 陳剛，劉應華. 結構塑性極限與安定分析理論及工程方法［M］. 北京：科學出版社，2005.

Ultimate strength of upper hull structure for ? semi-submersible drilling platform

PENG Dan-dan FU Jie LIU Kun
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The new generation of semi-submersible drilling platforms is characterized of the simple structural confi guration with fewer nodes and no strut. The security of the platform structure is essential due to the extremely harsh marine environment during the deep-sea operation. The residual strength problem of a semi-submersible platform after the failure of the transverse brace is required to be considered in the ABS MODU rule. This paper analyzes the ultimate strength of the upper hull structure after the failure of the transverse brace under the two loading conditions， transverse open and transverse close， by the quasi-static method based on the fi nite element analysis software Abaqus. The model is simplifi ed based on the "area smearing" technology to calculate the ultimate strength for the further discussion of this simplifi ed method. The research results can provide reference for the structural design of the new semi-submersible drilling platforms and the guidance for the calculation of the ultimate strength of the large structures by the simplifi ed fi nite element method （FEM）.

semi-submersible drilling platform； upper hull structure； ultimate strength； FEM； quasi-static method

U674.38+1

A

1001-9855（2015）06-0040-05

2015-04-08；

2015-05-06

彭丹丹（1990-），女，碩士，研究方向：船舶與海洋結構物設計制造。

傅 杰（1992-），男，碩士，研究方向：船舶與海洋結構物設計制造。

劉 昆（1984-），男，博士研究生，講師，研究方向：船舶與海洋工程結構強度。