Jack—Up中Surge Tank處甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

楊凱+李雪

摘 要：文章通過(guò)對(duì)Jack-Up中surge tank處甲板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核，根據(jù)ABS船級(jí)社規(guī)范，利用FEMAP有限元軟件建模進(jìn)行有限元分析，得出最大應(yīng)力與船體橫搖及縱搖角度的關(guān)系。再通過(guò)ABS規(guī)范進(jìn)行屈曲校核。

關(guān)鍵詞：甲板結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度校核；有限元分析；屈曲校核

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0004-03

Abstract： By checking the strength of deck structure at surge tank in Jack-Up， according to the code of ABS classification society， the finite element analysis is carried out by using FEMAP finite element software. The relationship between maximum stress and ship roll and pitch angle is obtained. Then the buckling check was carried out by ABS criterion.

Keywords： deck structure； strength check； finite element analysis； buckling check

伴隨人類(lèi)能源需求的增加，陸地可利用資源逐漸減少。人們已將資源開(kāi)采的目標(biāo)轉(zhuǎn)向海洋，石油在海洋中有豐富的儲(chǔ)藏量，但大部分都處于深海巖石層以下[1]。當(dāng)今海洋石油開(kāi)采設(shè)施有鉆井平臺(tái)、鉆井船、FPSO等，其中自升式鉆井平臺(tái)Jack-Up為應(yīng)用最多的海洋平臺(tái)。海洋工作環(huán)境惡劣，風(fēng)浪聯(lián)合作用會(huì)使工作平臺(tái)瞬間傾覆，Jack-Up開(kāi)采石油時(shí)，鉆頭深入海底近萬(wàn)英尺，當(dāng)天氣狀況惡劣時(shí)，對(duì)平臺(tái)的工作安全要求極高[2]。

從海底抽取的原油含有大量泥沙、碎石等。直接將原油導(dǎo)入儲(chǔ)油船運(yùn)輸?shù)疥懙兀凸拘鑼?duì)原油進(jìn)行初過(guò)濾[3]。若將該道工序放置在Jack-Up上進(jìn)行，能極大降低成本，surge tank為散料系統(tǒng)中重晶石分離設(shè)備，對(duì)原油有初步過(guò)濾作用。由于surge tank處于機(jī)械甲板，對(duì)該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究是保證設(shè)備安全工作的第一道防線。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至斷裂時(shí)，會(huì)影響設(shè)備正常工作甚至倒塌，波及周?chē)O(shè)備。

因此本課題來(lái)源于工作中研究承載Jack-Up的甲板局部強(qiáng)度校核，surge tank位于機(jī)械甲板，由三條支腿支撐，三條支腿甲板下無(wú)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。若甲板厚度不夠，直接將設(shè)備重力作用于支腿處，容易引起甲板發(fā)生較大的變形，導(dǎo)致甲板縱骨強(qiáng)度不足甚至斷裂?？紤]到Jack-Up平臺(tái)自身重量的嚴(yán)格控制，盡量不增加甲板厚度，所以需要根據(jù)支腿處甲板架構(gòu)做加強(qiáng)，分析強(qiáng)度是否滿足規(guī)范要求[4]。

本次研究Jack-Up中承受surge tank處甲板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，該處結(jié)構(gòu)由甲板及縱骨組成，由于surge tank工作重量達(dá)9噸以上，再加上工作時(shí)平臺(tái)有橫搖與縱搖加速度，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，該處結(jié)構(gòu)極易發(fā)生過(guò)大變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。因此，基于surge tank所在的甲板位置，根據(jù)ABS規(guī)范初步確定甲板結(jié)構(gòu)的厚度，利用FEMAP軟件采用有限元方法分析該處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求，再基于計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲校核。

1 創(chuàng)建有限元模型

由于surge tank設(shè)備在封閉艙室空間甲板平臺(tái)，根據(jù)ABS STEEL VESSELS 2014 PART 3 HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT CHAPTER 2 Hull Structures and Arrangements Section 3 Decks可知甲板厚度按公式（1）確定：

式中：t為板厚，單位mm；K=0.00394；a=1.5，單位mm； h=設(shè)備所在甲板距基線高度，單位m；Sb=甲板梁間距，單位mm。

由于surge tank設(shè)備所在甲板距基線的距離為1828.8mm， 所以公式（1）的h=1.828；該處甲板是縱骨架式結(jié)構(gòu)，縱骨間距為609.6mm，所以公式（1）的Sb=609.6。根據(jù)公式（1）可知，承受surge tank甲板的計(jì)算板厚為t=4.747mm，由于t不小于5mm，所以初步設(shè)計(jì)的甲板厚度t=5mm。

根據(jù)ABS MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS PART 3 HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT CHAPTER 2 Hull Structures and Arrangements Section 3 Self-elevating Drilling Units可知，Jack-Up樁腿結(jié)構(gòu)要滿足單幅10秒周期橫搖或縱搖15°產(chǎn)生的彎矩，在本研究中確定以下五種工況進(jìn)行分析。

工況1.只考慮結(jié)構(gòu)的自身重力

工況2.除結(jié)構(gòu)自身重力外，還考慮向左舷單幅橫搖θ=15°，10秒周期

工況3.除結(jié)構(gòu)自身重力外，還考慮向右舷單幅橫搖θ=15°，10秒周期

工況4.除結(jié)構(gòu)自身重力外，還考慮向艏部單幅縱搖θ=15°，10秒周期

工況5.除結(jié)構(gòu)自身重力外，還考慮向艉部單幅縱搖θ=15°，10秒周期

橫搖，縱搖加速度計(jì)算公式如式（2）和式（3）所示：

式中，X，Y，Z為設(shè)備重心與船舶浮心相對(duì)位置，θ為橫搖或縱搖的角度，g為重力加速度，T為周期。

在幾何模型剖分之前，要確定單元類(lèi)型。

梁?jiǎn)卧耗M高度較小骨材，面板，像甲板縱骨、肋板加強(qiáng)筋、艙壁骨架等，不僅承受拉壓應(yīng)力作用，還承擔(dān)彎曲應(yīng)力作用。endprint

桿單元：模擬板材構(gòu)件上的加強(qiáng)筋，只承受拉壓應(yīng)力的作用。

板殼單元：多用于船體外板、各層甲板、強(qiáng)橫梁、縱橫艙壁、肋板、肘板、艙口圍板、生活區(qū)等。板殼單元大多采用四邊形單元，也有部分采用三角形單元。

有限元模型如圖1所示。

2 分析結(jié)果

根據(jù)ABS規(guī)范所規(guī)定的板材結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要小于安全應(yīng)力的要求，將有限元數(shù)值模擬的米塞斯等效應(yīng)力的結(jié)果與安全應(yīng)力相比較來(lái)判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

米塞斯等效應(yīng)力的確定如公式（4）所示：

式中：sx為板材在X方向的計(jì)算應(yīng)力值；sy為板材在Y方向的計(jì)算應(yīng)力值；txy為板材計(jì)算的剪力值。

安全應(yīng)力[σ]的確定如公式（5）所示：

式中，sy為材料的屈服應(yīng)力；FS為安全系數(shù)，F(xiàn)S=1.43（對(duì)于靜態(tài)載荷），F(xiàn)S=1.11（對(duì)于聯(lián)合載荷）

根據(jù)有限元數(shù)值模擬得到的不同工況下不同橫搖或縱搖角度對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，建立了最大等效應(yīng)力與橫搖或縱搖角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。從圖中可以看出，任意工況下甲板結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力與橫搖、縱搖角度呈線性增加的關(guān)系。不存在隨著搖晃角度的增加結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力急劇增加的情況，這樣在加強(qiáng)甲板結(jié)構(gòu)時(shí)不需要考慮載荷因素的影響，不需要確定搖晃角度的臨界點(diǎn)，只需要針對(duì)最大的橫搖或縱搖角進(jìn)行分析即可。

由于增加甲板厚度是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)便方法之一，因此在本研究中分析了不同板厚下甲板結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力的變化情況。在這部分工作中，甲板厚度由初始設(shè)計(jì)的5mm一直增加到27mm，基于不同板厚的甲板結(jié)構(gòu)有限元結(jié)果，建立了最大等效應(yīng)力與甲板厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)分析得出不同工況下改變甲板厚度與最大應(yīng)力值關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出：最大等效應(yīng)力隨甲板厚度的增加逐漸減小，當(dāng)甲板厚度由5mm增加至15mm時(shí)，最大等效應(yīng)力迅速下降，當(dāng)甲板厚度大于15mm時(shí)，最大應(yīng)力下降平緩。通過(guò)分析得出采取增加甲板厚度降低最大應(yīng)力方式時(shí)，最多增加15mm效果明顯。

3 屈曲校核

本研究中根據(jù)ABS規(guī)范：BUCKLING AND ULTIMATE STRENGTH ASSEMENT FOR OFFSHORE STRUCTURES （LRFD VERSION）-SECTION 2 Individual Structure Members-9 Local Buckling-9.3 Non-tubular Members Subjected to Compression and Bending Moment來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度的評(píng)估。

具有軋制或裝配板截面的構(gòu)件的臨界局部屈曲，可以作為包括該截面的板部件的最低局部屈曲應(yīng)力。該構(gòu)件的局部屈曲應(yīng)力是從以下方程得到的，相對(duì)于單軸壓縮和面內(nèi)彎曲力矩。

Pr=結(jié)構(gòu)的比例線性彈性極限，鋼的可作為0.6

σo=規(guī)定的最小屈服點(diǎn)，N/mm2普通鋼取235

σEx=彈性屈曲應(yīng)力，N/mm2

E=彈性模量，2.06×105N/mm2

v=泊松比，鋼的可作為0.3

s=非支撐板組件的深度mm 甲板下角鋼面板寬度90

t=板組件的厚度 mm 甲板厚度7.9

ks=屈曲系數(shù)，如表1所示。一致壓力邊緣固定形式，取1.33

經(jīng)計(jì)算σEx=686.1628，Prσo=141 σEx>Prσo

所以

工況5最大應(yīng)力137.5<σCx

滿足屈曲要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究Jack-Up中surge tank處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)規(guī)范選擇甲板厚度不能滿足強(qiáng)度要求時(shí)，適當(dāng)增加甲板厚度，最大應(yīng)力隨甲板厚度增加逐漸減小。厚度增加到一定程度時(shí)，最大應(yīng)力減小趨于平緩。

（2）當(dāng)板厚及結(jié)構(gòu)形式不變時(shí)，動(dòng)態(tài)工況下最大應(yīng)力隨橫搖、縱搖角增加呈增大趨勢(shì)。

（3）當(dāng)應(yīng)力滿足時(shí)還要考慮部分型材屈曲變形，強(qiáng)度滿足后有必要進(jìn)行屈曲校核。

參考文獻(xiàn)：

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[4]吳鴻慶，任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.endprint