無橫撐六立柱半潛平臺總強度研究

林 瞳，王 璞，王 醍，徐 賀

（中國船舶及海洋工程設計研究院，上海200011）

0 引 言

近年來，隨著海洋資源開發(fā)逐步從近海走向深海，半潛平臺因具有良好的運動性能和寬闊的作業(yè)甲板，在油氣鉆井、生產和支持等領域得到了很多應用，在起重、拆解和采礦等方面有了很多應用嘗試。在此情況下，半潛平臺結構研究面臨的挑戰(zhàn)逐漸增大。傳統(tǒng)半潛平臺的橫撐結構對其總強度和極限強度都有著很大貢獻，但橫撐的存在不僅會在一定程度上限制半潛平臺中間月池區(qū)域內的作業(yè)功能，而且會對動力定位載荷和其他總體性能產生一定的影響。同時，六立柱半潛平臺在提高大尺度半潛平臺主船體中部剛度、增加作業(yè)狀態(tài)下的水線面面積和減小遷移阻力等方面的性能都明顯優(yōu)于四立柱半潛平臺。

近年來，六立柱型式和無橫撐式等類型的半潛平臺因具有結構穩(wěn)定性好、功能適應性強等優(yōu)點而得到了大型功能性半潛平臺設計者的青睞。目前國內對這些型式的半潛平臺已有一定的研究。曹義軍等［1］對一種非對稱無橫撐半潛平臺的整體強度進行評估，分析了該平臺與傳統(tǒng)半潛平臺的差異，通過全船整體強度分析計算，得到了該平臺有別于傳統(tǒng)半潛平臺的應力分布特點，指出了在浮筒與甲板之間采用大倒角設計有助于提高半潛平臺的整體強度。張坤等［2］對非對稱無橫撐半潛式起重平臺下水時的強度進行了評估，針對2 種下水方案進行了有限元模擬和評估，為后續(xù)半潛式起重平臺結構下水方案設計提供參考。

半潛平臺的立柱與橫撐、立柱與上船體連接結構無論是在屈服強度方面，還是在疲勞強度方面，都有很重要的作用，此處的應力情況往往是半潛平臺總強度計算的主控因素。為降低因取消橫撐結構而對半潛平臺總強度的影響，現有的無橫撐式半潛平臺主要采用整體放大立柱與主船體端部連接的方式提高此處的結構強度，見圖1。文獻［1］中所述立柱結構通過大倒角設計與主船體相連，可在一定程度上緩解此處應力集中的情況，但對船廠施工工藝提出了很高的要求。本文在此設計的基礎上對目標平臺進行優(yōu)化，采用多段拼接的形式完成立柱與主船體的連接和過渡，并在多段拼接中考慮立柱區(qū)域的圓轉方等線型變化。目標平臺立柱與主船體連接區(qū)域結構圖見圖2。

圖1 現有無橫撐式半潛平臺實船

圖2 目標平臺立柱與主船體連接區(qū)域結構圖

半潛平臺總強度計算工況主要包括總縱彎曲工況、橫開橫關工況、縱剪工況和縱扭工況，其中總縱彎曲工況基本上是航行狀態(tài)下的主控工況，該狀態(tài)下平臺的水線面在下浮體上，載荷情況與下浮體的尺度有關，與平臺有無橫撐的關系較小。因此，相對來說，無橫撐式半潛平臺主要關注的是橫開橫關工況（橫浪狀態(tài)）及縱剪和縱扭工況（斜浪狀態(tài)）。

在橫浪載荷作用下，當波長約等于半潛平臺兩側下浮體之間距離的2 倍時，波峰恰好位于舯部，此時平臺下浮體的分離力達到最大值，即橫開狀態(tài)；同理，當波谷恰好位于舯部時，半潛平臺下浮體的擠壓力達到最大值，即橫關狀態(tài)［3］。

縱剪和縱扭載荷均出現在斜浪狀態(tài)下，且二者是相伴相生的。在斜浪載荷作用下，當波長約等于平臺2個下浮體對角線長的1.5 倍且波谷位于對角線上時，平臺下浮體間的縱向剪切力達到最大值，即最大縱剪狀態(tài)；當波長等于平臺2 個下浮體對角線長且波谷在對角線中心時，橫軸的扭矩達到最大值，即最大縱扭狀態(tài)。在設計波計算中，需對2 種載荷模式下的設計波分別進行計算。

在半潛平臺總強度研究中，需先確定主要分析工況，對目標平臺的波浪載荷進行計算，確定其在主要分析工況下的設計波參數。利用有限元模型化技術對目標平臺有限元模型進行合理的簡化和模擬，注意對重點關注區(qū)域進行細化處理［4］。根據裝載信息對半潛平臺有限元模型的重量分布進行調整，確定合理的邊界條件，對有限元模型進行加載和分析，得到目標平臺在相應設計波參數下的應力分布情況，并將其與規(guī)范衡準相比較，判斷平臺的總強度是否滿足要求，進而確定平臺總強度分析關鍵區(qū)域。

1 目標半潛平臺主尺度

目標無橫撐式半潛平臺是針對深海采礦相關作業(yè)設計的，具有對深海多種礦物進行采集、輸送和處理等功能。該平臺集航行、作業(yè)、居住和支持等功能于一體，具有航程遠、運動性能好、作業(yè)水深大、作業(yè)周期長、系統(tǒng)復雜和集成度高等特點。目標半潛平臺主尺度參數見表1。

表1 目標平臺主尺度參數

2 設計波的確定

本文以自存狀態(tài)為例，對目標半潛平臺的波浪載荷情況進行直接計算。生存工況下作業(yè)海域的環(huán)境條件為百年一遇，自存狀態(tài)下的主要環(huán)境參數：有義波高Hs＝14.9 m；跨零周期Tz＝18.07 s。

在采用三維水動力理論進行水動力分析時，需對平臺濕表面進行網格劃分。網格形式可根據需要采用三角形單元或四邊形單元，并確保單元的尺度小于水動力分析中最小波長的1／4。在不犧牲計算效率的情況下，應適當對線型變化劇烈的位置和水線位置的單元尺度予以細化，并保證水面以下沿垂向至少有3 ～4 個網格，以保證整個濕表面模型能準確表征平臺的靜水力特性和水動力特性［5-6］。

在波浪剪力和彎矩傳遞函數計算中，波浪周期范圍取5 ～25 s，間隔0.5 s。浪向角取0° ～180°，間隔15°，通過短期預報確定設計波參數。目標平臺在自存狀態(tài)下的設計波參數見表2。橫向分離力、縱向扭矩和縱向剪切力RAO曲線分別見圖3 ～圖5。

表2 目標平臺在自存狀態(tài)下的設計波參數

圖3 橫向分離力RAO曲線

圖4 縱向扭矩RAO曲線

圖5 縱向剪切力RAO曲線

經比較，該設計波參數和載荷與同尺度的四立柱半潛平臺相當。

3 目標平臺總強度分析

3.1 半潛平臺模型化分析技術

在總強度分析中，需確定濕表面模型、結構模型和質量模型。結構模型的范圍為整個平臺；對于對總強度貢獻較大的結構（如上船體的主要艙壁等），如實進行反映；對于某些局部結構（次要艙室圍壁等），因其不參與總強度，可按需對其進行簡化或等效。

質量模型是根據半潛平臺相應的裝載工況建立的。平臺質量分成結構質量、設備質量和液艙壓載等3部分。對于結構質量差量（如肘板和焊材質量等），通過對各部分結構的鋼料密度進行調整予以補償。對于設備質量，就大型設備而言，應盡量表達出其實際質量分布，確保設備的質量和重心與實際相符，并使其各方向上的慣性矩相近。

3.2 半潛平臺總強度計算考慮的主要載荷

半潛平臺總強度計算主要考慮的載荷有重力載荷、靜水載荷、水動力載荷、井架載荷、試驗設備載荷、液貨載荷和風載荷等。主要設備載荷需以質量點或附加載荷的形式施加在主船體上。水動力載荷采用波浪載荷直接計算的方式施加到主船體濕表面處。液貨載荷僅考慮靜載，暫且忽略艙室動載荷的影響。

3.3 邊界條件設置

在實際情況下，平臺所受重力、浮力和波浪力是保持平衡的，并沒有邊界約束存在。但是，為消除平臺整體結構的剛體位移，必須在模型中施加一定的位移邊界條件。根據平臺的實際情況，位移邊界條件選擇彈性固定或剛性固定。一般選取結構強度較大且遠離結構強度評估區(qū)域的3 個不共線的節(jié)點，在每個節(jié)點施加的位移邊界條件是3 個垂向約束（Z）、2 個橫向水平約束（Y）、1 個縱向水平約束（X）。根據上述原則，將邊界條件設置于下浮體下端。在實際計算中，需在計算之后校核其支反力結果，只有支反力結果趨近于零，才表明計算結果正確可靠。

3.4 半潛平臺總強度分析衡準

目前美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS）關于半潛平臺結構強度分析的衡準廣泛應用于半潛平臺結構總強度分析中，該衡準要求目前元等效應力（von Mises stresses）不得超過許用應力F。F的表達式為

式（1）中：Fy為規(guī)定的最小屈服強度；F.S.為不同載荷組合的安全系數。

規(guī)范規(guī)定：對于靜水工況，安全系數F.S.取1.43；對于組合工況，安全系數F.S.取1.11。

3.5 分析結果

通過計算可知，六立柱無橫撐式半潛平臺總強度計算中的高應力區(qū)域為立柱與主船體連接區(qū)域和立柱與下浮體連接區(qū)域。中間立柱橫向端部放大到月池側板區(qū)域對月池區(qū)域的結構強度是十分有利的，可大大緩解此處的應力集中情況。尤其對于需在月池區(qū)域放置大型勘探和作業(yè)設備的半潛平臺而言，該設計形式值得推薦。立柱與下浮體連接處和立柱與主船體連接處最大應力出現在橫向分離力工況下。不同工況下平臺的安全系數和各區(qū)域的許用應力見表3，其中平臺主要部分的應力最大值均出現在立柱與主船體／下浮體連接區(qū)域，且首尾兩端立柱連接區(qū)域結構的應力值顯著高于中間立柱連接區(qū)域結構的應力值，目標平臺結構應力情況良好，均在許用范圍內。表4 為不同工況下平臺主體結構應力水平總結。

表4 不同工況下平臺主體結構應力水平總結

4 四立柱半潛平臺與六立柱半潛平臺結構總強度對比

半潛平臺結構在作業(yè)工況和風暴自存工況下的水線面基本上在立柱區(qū)域。與普通船型相比，半潛平臺的水線面相對較小，對結構重量相對敏感。在靜水載荷方面，六立柱半潛平臺的結構重量略高于四立柱半潛平臺，但當水線面在立柱區(qū)域時，設置六立柱能適當降低吃水對主船體重量變化的敏感度，適當減小平臺整體吃水。在水動力載荷方面，除了下浮體區(qū)域以外，六立柱半潛平臺能適當降低兩側立柱水動力載荷的作用面積，增大中部立柱區(qū)域水動力載荷的作用面積。為探究2 種立柱形式的差異，在模型中刪除目標平臺中間立柱結構，其他區(qū)域結構重量保持不變，另外進行計算，并對2 種立柱的波浪載荷、結構應力和變形情況進行計算分析，結果見表5。

表5 四立柱半潛平臺與六立柱半潛平臺的波浪載荷、結構應力和變形情況對比

由表5 可知：

1）對于橫向分離力工況，作用載荷浪向為橫浪，由于六立柱半潛平臺的排水體積大于四立柱半潛平臺，即其受到水動力作用的濕表面面積略大于四立柱半潛平臺，因此在橫向分離力工況下，無論是RAO還是載荷最大響應值，六立柱半潛平臺均略高于四立柱半潛平臺。由于四立柱半潛平臺在立柱處的吃水大于六立柱半潛平臺，因此其在首尾立柱處的橫向分離力大于六立柱半潛平臺，在橫向分離力工況下，六立柱半潛平臺首尾兩端立柱與主船體連接區(qū)域的應力值略低于四立柱半潛平臺立柱與主船體連接區(qū)域的應力值，六立柱半潛平臺在立柱與主船體連接區(qū)域的結構強度優(yōu)于四立柱半潛平臺。同時，中間立柱在橫向分離力工況下對主船體中部提供有利的支撐，大大降低了主甲板中間區(qū)域的變形情況。

2）對于縱剪工況，作用載荷浪向為斜浪，當波長為下浮體對角線長的1.5 倍時最大。對于六立柱半潛平臺，此時中間立柱縱向水平波浪力的方向正好與下浮體兩端縱向水平波浪力的方向相反，因此中間立柱的存在一定程度上降低了下浮體兩端的縱向水平波浪力（由于整體吃水減?。龃罅讼赂◇w中部反向水平波浪力，整體上減小了縱向剪切力。從縱剪工況下的RAO值中也可看出，六立柱半潛平臺的RAO值略小于四立柱半潛平臺，且吃水在立柱區(qū)域越大，這種現象越明顯。但是，由于本文的計算工況為作業(yè)自存工況，立柱區(qū)域吃水很小，加上六立柱半潛平臺的濕表面總面積較大，且受作業(yè)自存海況限制，四立柱半潛平臺與六立柱半潛平臺在縱剪工況下的最大響應值整體上基本相當，且六立柱半潛平臺略高。

從縱剪工況下的平臺結構應力云圖中可看出，在立柱與主船體連接區(qū)域，六立柱半潛平臺的結構最大應力約為四立柱半潛平臺的0.75 倍，且六立柱半潛平臺中部區(qū)域主甲板變形僅為四立柱半潛平臺的0.2 倍，中間立柱的存在大大降低了縱剪工況下主甲板的變形，整體剛度明顯好于四立柱半潛平臺，應力分布更加均勻。

3）對于縱扭工況，六立柱半潛平臺無論是在RAO方面，還是在最大載荷響應方面，都高于四立柱半潛平臺，但其立柱與主船體連接區(qū)域的最大結構應力僅為四立柱半潛平臺的0.69 倍，且與縱剪工況類似，此時其主船體中間區(qū)域的垂向變形僅為四立柱半潛平臺的0.15 倍。這說明在斜浪狀態(tài)下，對于大尺度半潛平臺而言，合理設置中間立柱能有效控制主船體的變形，使平臺的應力分布更加均勻，更有利于保證結構強度滿足要求。

另外，大尺度半潛平臺中部普遍布置重量較大的鉆臺等設備，且布置有月池結構。對于主尺度較大的半潛平臺，在2 個立柱之間再增加1 個立柱可很大程度上緩解主船體結構變形情況，且中間立柱與主船體月池區(qū)域巧妙過渡，能大大緩解月池區(qū)域應力集中情況，使月池區(qū)域應力更加均衡，變形情況更加可控。同時，增加1 個中間立柱無論是對于主船體而言，還是對于下浮體結構而言，均是一個有利的支撐，可適當減小月池區(qū)域構件的尺寸，使全船的應力分布更加均衡。

5 無橫撐半潛平臺與有橫撐半潛平臺總強度分析對比

傳統(tǒng)四立柱半潛平臺的橫撐結構，無論是在半潛平臺總強度研究方面，還是在極限強度研究方面，甚至是在考慮橫撐失效之后平臺結構強度的冗余度研究中，都是關注的重點。橫撐結構的存在對半潛平臺的整體強度和整體框架的穩(wěn)定性是有利的，但會增大平臺的動力定位載荷，提高拖航阻力，同時對平臺月池設備作業(yè)區(qū)域有很大限制。在風浪較大的情況下，平臺設備易與橫撐結構發(fā)生碰撞，海工產品在作業(yè)海域的工作時間較長，運輸和維修成本較高，一旦橫撐結構出現破損，將對實際工程產生很大影響。

傳統(tǒng)四立柱半潛平臺的立柱與主船體連接區(qū)域通常采用直角連接形式，并在連接處適當增加肘板。若采用這種連接方式，端部連接處通常會出現很大的應力集中現象。曹義軍等［1］的研究已證實，在立柱與主船體連接區(qū)域采用合理的方法對立柱端部進行放大，并使立柱與主船體合理地連接和過渡，該結構連接處的應力水平甚至優(yōu)于傳統(tǒng)有橫撐但直角連接的形式。在已有研究的基礎上，研究在立柱與主船體端部放大之后，橫撐結構存在與否對結構強度的影響。

在目標平臺兩端立柱上增加橫撐結構，其尺寸和端部過渡參考之前典型的四立柱半潛平臺，分析橫撐結構對目標平臺總強度的影響。

橫撐為細長桿，可視為Morrison單元，其波浪力相比整個平臺可視為小量。因此，本文默認有無橫撐結構的平臺所受波浪載荷相同，研究有無橫撐結構對平臺結構強度和應力分布的影響。對橫向分離力工況、縱剪工況和縱扭工況下有無橫撐結構的平臺應力情況進行對比，從應力云圖中可看出，橫撐結構對降低平臺立柱與主船體連接區(qū)域的應力是十分有效的。不同工況下對比立柱與主船體連接處最大應力情況見表6。由表6 可知，在考慮立柱與主船體合理連接的前提下，橫撐結構能將立柱與主船體連接處的最大應力降低30%左右。

表6 不同工況下立柱與主船體連接處最大應力情況

6 結 語

本文采用全船有限元法研究了六立柱無橫撐半潛平臺的結構總強度問題，分別探討了半潛平臺全船有限元模型化方法、主要結構載荷、邊界條件、結構分析衡準和應力分布情況。對不同工況下四立柱半潛平臺和六立柱半潛平臺的應力情況進行了分析對比，并對橫撐結構對立柱與主船體合理過渡型式半潛平臺的貢獻度進行了探討，主要得到以下結論：

1）較為系統(tǒng)全面地對六立柱無橫撐半潛平臺的總強度分析流程進行了梳理，明確了總強度分析中的關鍵要素，得到了六立柱無橫撐半潛平臺結構應力分布情況，可供后續(xù)同類型半潛平臺的總強度研究參考。

2）六立柱半潛平臺相比四立柱半潛平臺能適當降低立柱與主船體連接區(qū)域的應力，對降低主船體變形的貢獻較大，同時可明顯緩解月池區(qū)域局部應力集中的情況，適用于尺度較大且中部月池區(qū)域開孔較大或月池區(qū)域設備載荷較大的半潛平臺。

3）對于立柱與主船體連接區(qū)域合理放大過渡的半潛平臺結構，橫撐結構能將立柱與主船體連接區(qū)域最大應力降低30%左右，但在不設置橫撐結構的情況下，通過合理設計立柱與上船體連接過渡，也能滿足規(guī)范對強度的要求。在實際工程中，可根據實際載荷情況和需求，適當考慮橫撐結構的取舍。

4）六立柱無橫撐半潛平臺在鋼料使用方面要大于傳統(tǒng)四立柱半潛平臺，但能為執(zhí)行特定作業(yè)功能和有特定安全考慮的半潛式平臺的結構安全提供足夠的保證。

除了本文的研究以外，有關六立柱無橫撐半潛平臺的研究還有很多，例如，六立柱半潛平臺波浪載荷計算敏感性問題，立柱與主船體連接區(qū)域端部放大參數化優(yōu)化設計，以及航行狀態(tài)下六立柱半潛平臺下浮體的結構強度、應力分布特點和優(yōu)化等。考慮到項目目前的狀態(tài)，平臺設備的重量和載荷等都還沒有細化考慮，后續(xù)需對這些內容作進一步的研究。