半潛式平臺(tái)橫撐波浪抨擊載荷下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

董 斌，陳凱旋，聶 焱，霍發(fā)力

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 420000；2. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；4. Wood Group Mustang，上海 201206)

0 引 言

隨著油氣開采向深水發(fā)展，可運(yùn)用在深水和超深水域的半潛式、TLP和Spar等浮式平臺(tái)得到了快速發(fā)展。在極端海況下，平臺(tái)受到波浪砰擊可能會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)破壞，甚至人員傷亡事件，波浪抨擊載荷是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一。通常情況下，半潛式平臺(tái)要求在平臺(tái)設(shè)計(jì)自存工況下無(wú)負(fù)氣隙現(xiàn)象，即不會(huì)出現(xiàn)波浪砰擊現(xiàn)象。但是，平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度如果能滿足規(guī)范等相應(yīng)的要求，平臺(tái)局部的波浪砰擊現(xiàn)象可以接受；而且這樣設(shè)計(jì)難度會(huì)大大降低，節(jié)約大量成本。所以從全面考慮來(lái)說(shuō)，局部波浪砰擊可以接受更合理[1]。特別是橫撐這樣細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在波浪砰擊作用下，容易產(chǎn)生破壞。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)平臺(tái)橫撐在波浪砰擊下的響應(yīng)對(duì)平臺(tái)的設(shè)計(jì)非常重要。

本文以典型雙浮體4立柱半潛式平臺(tái)為例，運(yùn)用Ansys-AQWA軟件建立數(shù)值仿真模型，結(jié)合水池試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果修正數(shù)值模型的阻尼系數(shù)、風(fēng)和流載荷系數(shù)，準(zhǔn)確模擬自存工況下風(fēng)載荷、流載荷、波浪載荷以及全尺寸錨泊系統(tǒng)聯(lián)合作用的平臺(tái)橫撐的波浪砰擊現(xiàn)象，并結(jié)合平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果，對(duì)平臺(tái)橫撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

1 平臺(tái)模型試驗(yàn)和數(shù)值模型

1.1 模型試驗(yàn)

通過(guò)平臺(tái)水池和風(fēng)洞模型試驗(yàn)的方法，得到更為準(zhǔn)確的平臺(tái)承受的風(fēng)、浪和流載荷。為了得到較好的準(zhǔn)確值，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票炔煌?，水池試?yàn)幾何相似比采用1:38.9，而風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?:130，如圖1所示。

圖1 水池試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig. 1 The test models of wave tanker and wind tunnel

通過(guò)水池試驗(yàn)可以取得平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，為更準(zhǔn)確修正模擬平臺(tái)水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)奠定基礎(chǔ)。為了得到平臺(tái)較為準(zhǔn)確的風(fēng)和流載荷，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)而得到平臺(tái)較準(zhǔn)確的風(fēng)和流載荷系數(shù)。

1.2 數(shù)值模型

運(yùn)用大型有限元軟件Ansys創(chuàng)建平臺(tái)有限元模型，在Ansys-AWQA模塊中進(jìn)行模擬平臺(tái)撐桿波浪砰擊載荷。平臺(tái)有限元模型及錨泊系統(tǒng)布置情況如圖2和圖3所示。

圖2 Panel單元模型Fig. 2 The panel model of platform

圖3 平臺(tái)錨泊系統(tǒng)布置Fig. 3 The mooring system arrangement of platform

通過(guò)創(chuàng)建Tubular和Disc單元來(lái)修正平臺(tái)結(jié)構(gòu)的黏性阻尼，但是浮箱和立柱部分還要考慮其繞射和輻射，同時(shí)需要運(yùn)用Panel 模型進(jìn)行模擬。考慮到Morison單元承受的載荷與截面積尺寸成線性關(guān)系，所以把截面尺寸縮小為1/100，而計(jì)算載荷系數(shù)放大了100倍，這樣在平臺(tái)排水量影響非常有限的情況下，保證其拖曳力的載荷不變，圖4給出了平臺(tái)浮箱和立柱的Tubular和Disk單元。

圖4 Tubular單元、Disk單元模型Fig. 4 The Tubular, Disk elements model

1.3 橫撐波浪砰擊分析關(guān)注點(diǎn)

結(jié)合橫撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，變直徑圓柱結(jié)構(gòu)，因此在橫撐結(jié)構(gòu)上，取相應(yīng)的關(guān)注點(diǎn)位置進(jìn)行考慮波浪砰擊，相應(yīng)位置如圖5所示。

圖5 關(guān)注點(diǎn)位置Fig. 5 Location of interest points

2 數(shù)值模型與試驗(yàn)對(duì)比

2.1 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)固有周期

表1給出了在靜水中水池試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模型模擬的平臺(tái)固有周期。由結(jié)果可知，數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)中得到的平臺(tái)垂蕩、橫搖和縱搖的固有周期非常相近。

表1 靜水工況下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)固有周期Tab. 1 The natural periods of platform in still water

2.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

運(yùn)用修正以后的數(shù)值模型，在平臺(tái)尾迎浪工況下，對(duì)平臺(tái)的縱搖和垂蕩響應(yīng)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與水池試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6和圖7所示。根據(jù)對(duì)比結(jié)果可知水池試驗(yàn)與數(shù)值模擬平臺(tái)縱搖和垂蕩響應(yīng)非常接近。

圖6 平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較Fig. 6 Comparison of pitch motion response

圖7 平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)比較Fig. 7 Comparison of heave motion response

運(yùn)用修改后的平臺(tái)數(shù)值模型，對(duì)試驗(yàn)中的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行模擬。針對(duì)錨泊系統(tǒng)水平錨鏈張力Fx進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯觯^泊系統(tǒng)的數(shù)值模擬與水池試驗(yàn)非常相近，因此該修正以后的數(shù)值模型較為準(zhǔn)確。

圖8 在X方向上錨泊系統(tǒng)的錨鏈張力比較Fig. 8 Comparison of mooring tension in X direction

3 橫撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 橫撐波浪砰擊載荷

在AQWA有限元軟件中，運(yùn)用修正以后的數(shù)值模型，在時(shí)域范圍內(nèi)計(jì)算橫撐與水質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度，計(jì)算過(guò)程中考慮了浮箱和橫撐的粘性阻尼等影響。

由于實(shí)際波浪的隨機(jī)性，本文對(duì)給定的海況又分別選用10段不同的隨機(jī)波浪，作為其子工況，根據(jù)規(guī)范要求[5]，時(shí)域模擬時(shí)間取3 h。假定半潛式平臺(tái)橫撐波浪砰擊載荷滿足Gumble分布，本文取10個(gè)子工況的90% Gumble值作為該工況下平臺(tái)橫撐波浪砰擊載荷。

在自存工況下，平臺(tái)橫撐上關(guān)注點(diǎn)與水質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度如表2所示。

表2 自存工況下關(guān)注點(diǎn)處的最大相對(duì)速度Tab. 2 The point location and maximum relative velocity in survival condition

Gumbel分布見圖9～圖11。自存工況中最大相對(duì)速度為5.583 m/s ，波浪砰擊載荷為82 269 N/m2。

3.2 平臺(tái)橫撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.2.1 平臺(tái)整體的有限元模型

在自存工況下，對(duì)平臺(tái)的橫撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)模型如圖12所示。

3.2.2 平臺(tái)的ULS工況下忽略波浪砰擊載荷的分析結(jié)果

本部分僅考慮平臺(tái)在靜載作用下橫撐所承受的靜載荷和浮箱、立柱等承受的波浪載荷作用下橫撐所承受的動(dòng)載荷。平臺(tái)在工況ULS-A和ULS-B的工況下，總體結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力如圖13所示；橫撐的應(yīng)力如圖14所示。從結(jié)果可以看出，橫撐在ULS-A和ULSB的最大應(yīng)力分別是237 MPa和300 MPa。

3.2.3 橫撐考慮波浪砰擊載荷后的屈服強(qiáng)度校核

根據(jù)平臺(tái)總體計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用Sesam軟件中Submodel模塊，考慮波浪砰擊載荷后對(duì)橫撐再進(jìn)一步分析。橫撐的子模型和承受的波浪砰擊載荷，如圖15和圖16所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)計(jì)算的橫撐與水質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度，計(jì)算得到相應(yīng)的波浪砰擊壓強(qiáng)，以靜載荷加載到子模型上。

圖9 自存工況Case01下的關(guān)注點(diǎn)相對(duì)與海面的相對(duì)速度Fig. 9 The relative velocitys of interest points and seasurface in case01 survival condition

圖10 點(diǎn)60001和點(diǎn)60002在自存工況下的相對(duì)速度的Gumbel分布Fig. 10 The relative velocitys of point60001 and point60002 in survival condition

分析結(jié)果如圖16所示。根據(jù)分析結(jié)果可以看出，在波浪砰擊載荷作用方向?yàn)?°的工況下，Von Mises應(yīng)力達(dá)到最大，為347.2 MPa；由于超過(guò)許用應(yīng)力309 MPa的范圍非常小，橫撐的屈服可以認(rèn)為滿足規(guī)范要求。由應(yīng)力分布圖可以看出，橫撐在考慮波浪砰擊載荷后應(yīng)力超過(guò)150 MPa的面積比不考慮波浪砰擊載荷的情況下明顯增多，而且最大Von Mises應(yīng)力由300 MPa增加到347.2 MPa，增加了15.7%。也就是說(shuō)波浪砰擊載荷在橫撐上產(chǎn)生的應(yīng)力很大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖11 點(diǎn)60003和點(diǎn)60004在自存工況下的相對(duì)速度的Gumbel分布Fig. 11 The relative velocitys of point60003 and point60004 in survival condition

圖12 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)模型Fig. 12 The structural model of the platform

圖13 平臺(tái)總體強(qiáng)度結(jié)果ULSA和ULSB-Vomises StressFig. 13 The ULSA and ULSB-Vonmises Stress results of global model

圖14 橫撐總體強(qiáng)度結(jié)果ULSA和ULSB Vomises StressFig. 14 ULSA and ULSB max Von-Mises stresses, [Pa]

圖15 0°和90°波浪砰擊載荷壓力示意圖Fig. 15 The wave slamming pressure load 0° and 90° directions

圖16 橫撐自存工況下0°和90°方向上波浪砰擊下的Von. StressFig. 16 The Von. Stress of brace in survival condition as slamming pressure 0° and 90° directions

結(jié)合DNV船級(jí)社規(guī)范要求，本文提出了半潛式平臺(tái)橫撐在波浪砰擊載荷下屈曲和屈服強(qiáng)度校核的一種較準(zhǔn)確方法，該方法充分考慮了橫撐承受的靜載荷、波浪砰擊載荷、波浪載荷作用下橫撐所承受的動(dòng)載荷。通過(guò)對(duì)半潛平臺(tái)橫撐結(jié)構(gòu)的分析，可以看出波浪砰擊載荷在橫撐上產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，使得橫撐結(jié)構(gòu)的最大Von.Mises Stress增加了15.7%，所以在半潛式平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，橫撐等細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的波浪砰擊載荷要準(zhǔn)確考慮。本文研究?jī)?nèi)容為海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。