大型浮式平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

文 艷， 張?jiān)品澹?崔桂媛， 王 超

(1.上海外高橋造船有限公司， 上海200137； 2.上海外高橋造船海洋工程有限公司， 上海200137)

0 引 言

我國海岸線綿長，領(lǐng)海廣闊，海洋資源豐富。大型浮式平臺可作為海洋資源開采過程中的中轉(zhuǎn)站，為其提供安全支持。大型浮式平臺需長期在海中作業(yè)，其在波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度往往是設(shè)計(jì)者最關(guān)心的部分。

大型浮體往往由很多模塊通過連接器進(jìn)行連接，單個(gè)模塊在尺度上類似于半潛平臺或大型集裝箱船。國內(nèi)外很多學(xué)者對類似于大型浮式平臺的大型浮體在波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究：楊鵬等[1]研究超大型浮體單模塊在危險(xiǎn)載荷工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，曹劍鋒等[2]使用ANSYS/AQWA對浮體進(jìn)行水動(dòng)力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，張勇[3]分析浮式結(jié)構(gòu)物在波浪中的隨機(jī)振動(dòng)，李良碧等[4]基于直接強(qiáng)度計(jì)算方法對浮式結(jié)構(gòu)物單模塊強(qiáng)度進(jìn)行分析。另外，還有很多學(xué)者對大型浮體的水彈性響應(yīng)問題進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[5-7]從理論和計(jì)算角度對大型浮體的水彈性響應(yīng)問題進(jìn)行分析。

圖1 防浪圍圈型大型浮式平臺

本文基于直接強(qiáng)度計(jì)算方法，采用法國船級社(BV)開發(fā)的Homer軟件，對防浪圍圈型大型浮式平臺單模塊進(jìn)行分析，計(jì)算其在典型海況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。

1 計(jì)算模型

防浪圍圈型大型浮式平臺如圖1所示，整個(gè)平臺由6個(gè)梯形單模塊組成，模塊之間使用連接器連接。平臺主尺度如表1所示。

表1 防浪圍圈型大型浮式平臺主尺度

使用Homer軟件選取整個(gè)平臺的單模塊進(jìn)行分析，此時(shí)需建立水動(dòng)力模型、濕表面模型和有限元結(jié)構(gòu)模型，3種模型如圖2所示。

圖2 平臺單模塊模型

圖3 邊界條件示例

1.1 邊界條件

目前國內(nèi)仍然缺乏類似平臺的設(shè)計(jì)規(guī)范，本文選取中國船級社(CCS)的《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2015版)規(guī)定的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算過程中需消除剛體位移，本文選用3個(gè)約束點(diǎn)消除剛體位移。本平臺單模塊不像船舶具有關(guān)于中縱剖面的對稱特性，因此選取在艉部第一道橫艙壁兩端以及在艏部第一道橫艙壁中心位置設(shè)置約束點(diǎn)，約束點(diǎn)1約束x、z兩個(gè)方向的線位移，約束點(diǎn)2約束y、z兩個(gè)方向的線位移，約束點(diǎn)3約束y、z兩個(gè)方向的線位移。邊界條件如圖3所示。

1.2 計(jì)算工況

防浪圍圈型大型浮式平臺應(yīng)用海域是南海中北部潟湖內(nèi)和南海南部無臺風(fēng)區(qū)，該海域?yàn)殚_放海域，區(qū)域水深在30～50 m，平均水深約40 m。根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2015版)規(guī)定，浪向不少于7個(gè)，取0°～180°，間隔為30°。波浪頻率為0.2～1.5 rad/s，間隔為0.05 rad/s。根據(jù)《大型浮式平臺環(huán)境載荷設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》選擇作業(yè)工況和自存工況作為設(shè)計(jì)工況，兩種工況的參數(shù)如表2所示。

選用平臺單模塊中橫剖面的總縱彎矩作為載荷控制參數(shù),船體中部剖面總縱彎矩的時(shí)域歷程曲線如圖4和圖5所示。

表2 平臺單模塊有限元直接計(jì)算工況

圖4 作業(yè)工況下船體中部剖面總縱彎矩時(shí)域歷程曲線 圖5 自存工況下船體中部剖面總縱彎矩時(shí)域歷程曲線

2 計(jì)算結(jié)果

選取作業(yè)工況和自存工況下截面11總縱彎矩的最大值，各個(gè)彎矩最大值如表3所示。

兩種典型工況的變形如圖6和圖7所示，可以看出，最大變形位置發(fā)生在平臺底板處，但作業(yè)工況下主要是整體變形，自存工況的板格變形較為明顯。

表3 各個(gè)工況最大彎矩

圖6 作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)變形 圖7 自存工況下結(jié)構(gòu)變形

兩種典型工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖8和圖9所示，不難發(fā)現(xiàn)，作業(yè)工況下高應(yīng)力區(qū)域主要集中在甲板板格處，而自存工況下高應(yīng)力區(qū)域主要集中在靠近艙壁處。

圖8 作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖 圖9 自存工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

根據(jù)《大型浮式平臺環(huán)境載荷設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》選擇作業(yè)工況和自存工況為設(shè)計(jì)工況，采用法國船級社(BV)開發(fā)的Homer軟件進(jìn)行計(jì)算，對比兩種工況的計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論，對防浪圍圈型平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

(1) 防浪圍圈型大型浮式平臺單模塊隨著波浪載荷變化，其結(jié)構(gòu)的最大變形和最大應(yīng)力并不集中在一處。

(2) 隨波浪載荷的增大，結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)域逐漸向艙壁與甲板連接處移動(dòng)，應(yīng)關(guān)注該處的強(qiáng)度問題。

(3) 由于結(jié)構(gòu)沒有關(guān)于中縱剖面的對稱性，在右舷下方設(shè)置有多道橫艙壁，但左舷橫艙壁較少，導(dǎo)致應(yīng)力向右舷集中，在實(shí)際建造過程中應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)。