半潜平台总体强度分析及方案改造研究

郭勤静，陈书敏，徐勤花，时 磊

(烟台中集来福士海洋工程有限公司研发部，山东 烟台 264000)

随着全球海洋勘探和开发向深海海域发展，半潜式海洋平台以其自身的明显优势逐渐成为深海油气开发的主要工具。半潜式海洋平台具有造价昂贵、结构复杂、承受载荷多样、工况组合复杂以及设计技术难度高等特点［1］，因此半潜式海洋平台的前期设计即基础设计成为半潜式海洋平台设计的重要技术内容。不仅要考虑设计的技术可靠性，同时需要兼顾设计周期、效率及生产建造条件等。

对于基础设计来说，设计初期常采用简化的模型进行总体强度分析［2］，利用空间刚架粱模拟平台的各个模块并赋予适当的截面属性来快速地初步评估基础设计的主要结构对设计载荷的响应。观察整个平台结构上的总体应力分布情况，根据各处应力程度不同采取相应的优化设计方式，设计修改及优化空间大。在设计的中期和后期，则采用梁和板壳混合模型进行具体的强度分析，一般设计到了这个阶段时，设计修改及优化的空间相对减小。对于虚拟的整个基础设计来说，设计的过程如此循环往复，直到最终得到较为合理的设计结果。基于这种基础设计的思想，采用板梁模型完成一型半潜式起重生活平台的总体强度分析，并采用刚架梁模拟实际的管支撑结构完成结构改造方案的总体强度快速评估，从而确定合理的结构方案并进行详细的总体分析计算。

1 半潜式平台总体强度分析

1.1 半潜式起重生活平台简介

表1 平台主要参数Tab.1 Primary parameters of platform

该型平台是烟台中集来福士自主研发设计并建造的起重能力达1 100 t 的半潜式起重和生活居住平台，普遍用于水上大型设备的安装和打捞，能够为其它钻井平台提供住宿、大型模块吊装及多功能货物储运等服务。满足温和海况如西非等海况时所设计的平台主体结构主要有下船体、横撑、立柱和上船体构成，横撑结构剖面为圆管型，分布在首尾部。主要结构参数如表1 所示。

1.2 半潜式平台总体强度评估

1.2.1 平台所受载荷及计算方法

作用于平台结构上的各种载荷可分为:永久载荷、可变载荷、环境载荷、意外载荷和变形载荷等［2］。通常情况下，在对平台进行总体强度评估时只考虑永久载荷和环境载荷［3］。永久载荷总体上包括结构自身重量、设备和压载舱打压载重量等等，可以从重量报告中获取数据。环境载荷主要包括由于波浪和流产生的水动力荷载、惯性力、风载荷以及雪冰等。因波浪、流、风和海水等是影响平台正常工作的主要环境条件，波浪载荷是所有环境载荷中对平台结构影响最为显著的。通常选择百年一遇的波浪来进行波浪载荷分析，采用设计波法完成波浪载荷的分析计算，根据船级社规范考虑了如下特征载荷:平台中纵剖面的纵向剪力、横向分离力、横向分离力矩、纵向扭矩，中横剖面的垂向弯矩以及甲板中心处三个方向的加速度载荷。根据各特征载荷最大值所处浪向确定设计波浪向，根据特征载荷响应算子峰值确定设计波周期和相位等特征要素，整体海况改变以后的具体设计波的情况如表2 所示。

表2 风暴自存工况下的典型设计波Tab.2 Typical design wave of survival condition

1.2.2 总体有限元模型及计算

采用有限元分析软件ABAQUS［4-5］多人协作建模的方法建立平台总体有限元板梁组合模型如图1 所示。在总体有限元模型中经过加载(主要是永久载荷)、调平(由于模型简化带来的质量分布不均衡)并计算总体质量矩阵，同时在总体有限元模型中提取湿表面模型如图2 所示。注意湿表面法向的一致性，根据湿表面模型，水动力采用设计波法计算平台所受的波浪载荷即主要环境载荷。根据规范规定的边界加载方式，即3-2-1 的边界加载方式［2］，针对不同的工况进行加载计算并完成总体强度的分析计算校核。

图1 半潜平台总体有限元模型Fig.1 Global FE model of platform

图2 半潜平台湿表面模型Fig.2 Water-surface model of platform

1.2.3 总体屈服屈曲强度校核准则

平台总体强度分析主要包括总体屈服强度、总体屈曲强度和总体疲劳强度分析，其实际计算过程主要是通过船级社专业的计算包或者公司自身利用程序语言开发的后处理程序批量处理计算完成整个后处理计算校核。此处主要针对板壳结构，列举总体屈服屈曲强度校核的准则如下:

1)总体屈服强度校核准则

式中:(σxx)t，(σyy)t，(σxy)t为总体单元应力分量;σe为Von-Mises Stress。σf代表材料许用屈服应力(355 MPa)，组合工况下安全系数取值1.11，许用屈服应力校核:

σe≤σf/1.11 = 355 MPa/1.11 = 320 MPa

2)总体屈曲强度校核准则

过往的海洋工程实践表明，对于以板格为屈曲校核对象时，极限强度状态下是必须要校核的，并且在极限强度满足的情况下，一定的屈曲是允许的。极限强度状态:

式中:σUx，σUy，σUxy分别代表板格纵向、横向单轴向力下的极限强度、边缘剪切下的极限强度;φ 为强度作用系数;η 为最大的许用强度利用系数。

2 平台方案改造研究

2.1 平台方案改造及方法

初始设计时鉴于对平台服务海域要求比较温和，主要是渤海、西非等海况，基础设计完成后的整体结构(如图1)的总体强度基本满足船级社规范要求，进行了总装模块化建造。随着后期全球市场的变化及半潜海洋平台的快速发展，对半潜平台的功能和工作海域要求越来越高，亟需在短时间内对该平台的结构方案进行升级改造。考虑平台受荷载情况，对平台的结构添加支撑结构进行优化，支撑结构添加方案的总体强度评估有两种方法:方法一可以在原来的总体模型创建后如图1 所示，对应每一种改造方案补充创建撑管的详细的总体有限元模型，根据1.2.2 中介绍的总体强度计算方法，分别完成各个方案的总体强度校核并比较结果。方法二可以采用在原来方案总体板壳模型的基础上，创建刚架梁模型来模拟撑管，完成各个方案总体强度的评估并比较结果。由于方法一的每一种方案都需人力进行模型创建和后续处理，工时周期较长，此处选择方法二来快速完成各方案的评估。

2.2 改造方案结果对比分析

初始方案在工作海况等升级后，强度不满足的部位主要是各个连接处，通过分析动态结果，平台对三个方向的扭矩特别是纵向扭矩，平台刚度不足以抵抗扭矩的作用。在进行刚架梁优化时，对于杆(壳)单元主要是基于经典的梁弯曲理论［6］，空间杆单元的杆件除了可能承受轴力和弯矩的作用外，还可能承受扭矩的作用，而且弯矩可能同时在两个坐标面内存在。而采用刚架梁模拟简化方法来快速评估正是利用了刚架梁的这种受力特点。结合本半潜平台的实际情况，试验了多种添加刚架梁组合的方案。这里主要列出两种组合方案如图3 和图4 所示，两种方案都在同侧立柱之间增加对角斜撑管，并且同时在首尾部甲板底部中间位置连接到左右舷立柱底部的八字斜支撑管，下船体中所不同的是方案一采用两个交叉管支撑结构分别连接中部立柱和首部立柱，而方案二则采用一个大交叉支撑管结构分别连接首尾立柱之间，并在中部两个小立柱之间添加一个辅助支撑管连接。为保证撑杆梁元端部的节点与板壳模型节点连接以使端力和弯矩正确传递到主结构节点区的实际连接范围，在操作有限元分析软件ABAQUS 时，一定要保证梁元端部节点与板壳模型中舱壁交叉处的节点重合并合并为一个节点，两个方案总体分析结果如图5 所示，主要位置板的屈服应力情况对比如表3 所示。

图3 方案一Fig.3 Project 1

图4 方案二Fig.4 Project 2

从试验结果及数据来看，两个方案所有同侧立柱之间的刚架梁所引起的应力敏感程度较小，说明此处平台主体结构强度没有问题，不需添加支撑结构。对于首尾甲板以下增加的斜撑，由于甲板载荷和甲板上各模块重量的作用，两种方案的应力程度近似而且也比较敏感，确定需要添加此处的斜撑。从两个方案在四个主立柱上产生的应力敏感程度比较来看，两个方案在外壳上基本一致，而在内部结构上，方案二的应力反应更为敏感。对于中部小立柱，两个方案在内部基本相同，方案一在外壳上的应力反应敏感程度明显较大。

表3 两种方案下主要位置板的屈服应力情况对比Tab.3 Plate yielding stress comparison of two projects

从两个方案自身的结构及应力传递特点来看，方案一水平交叉结构每一个支撑管都是主管，都有效抵抗平台扭矩的作用，缺点就是出现了两个交叉点的同时，中部两个小立柱承受了较大的传递力，导致此处强度很差而且很难加强。而方案二的水平交叉结构则是两个斜撑管为主管，通过中间交叉点，将平台抵抗扭矩的力有效转移到首尾的四个主立柱上，提高了主立柱材料利用率，避免中部小立柱的破坏，同时采用的连接两个中间小立柱的撑管对支撑结构有一定的平衡作用。

从两个撑杆方案的总体稳定性要求来看，根据材料力学欧拉公式［7］计算撑杆的临界欧拉应力，从有限元分析结果中读取静态、动态结果中撑杆的轴向应力，并求和得撑杆实际轴向应力，与临界欧拉应力对比后验证两种方案中撑杆的总体压杆稳定性都满足要求。

综合试验数据及支撑结构自身力系传递特点以及撑杆稳定性校核结果，选择方案二作为最后的结构改造方案。

图5 总体强度分析评估结果Fig.5 Global yielding result

3 改造方案结果详细分析

创建新方案的有限元模型，将空间刚架梁模型与原来的半潜平台有限元总体模型合并为最新的总体模型如图6 所示。对新方案模型，相关专业如稳性，系泊等进行了评估分析计算，改造后的新方案满足稳性、系泊方面的要求。而在结构设计与强度分析方面，有两个关键位置需要细化处理设计。第一个是水平交叉支撑点处的结构设计，根据现场生产实际经验，考虑管节点疲劳问题，对此处的结构进行优化设计及疲劳子模型谱分析计算;第二个是各个支撑管与主体结构的连接处，支撑管与DECKBOX 连接及中部横撑与中间两个小立柱之间采用圆管配合鱼尾板插入连接形式，其它部分采用天圆地方即马蹄形的过渡形式配合十字交叉板与主体结构连接，并进行疲劳子模型谱分析计算。按照1.2 中总体强度分析的流程完成新方案的总体强度分析，结果如图6 所示，主要结构板壳区域的结果及利用率如表4 所示。根据ABS 规范［8］编制屈服屈曲简化疲劳强度后处理程序，计算结果表明平台板壳屈服屈曲强度基本满足总体强度要求，平台的stiffener，girder 也满足规范的屈曲强度要求。对于简化疲劳计算后的结果，考虑疲劳应力集中区域主要集中在几个连接处，后续进行连接处的疲劳子模型谱分析计算，满足疲劳强度要求。最后完成该方案的所有送审报告并通过船级社审核后，最新建造的平台实体如图7 所示。

表4 方案改造后主要区域屈服屈曲校核结果Tab.4 Yielding and buckling result of reconstruction project

图6 新方案的总体分析结果云图Fig.6 Global yielding resulFWD STBD view

图7 实际建造的平台Fig.7 Platform constructed

4 结 语

通过有限元软件ABAQUS 对半潜起重生活平台进行总体屈服屈曲强度分析。采用空间刚架梁模拟实际支撑管系，快速地评估各个改造方案的总体强度情况，通过船级社审核后实施总装建造，该方法有利于快速地实现结构方案的改造优化，为业内平台的设计和改造提供重要的工程参考。结果表明:

1)采用有限元分析软件对半潜平台进行总体屈服屈曲强度分析方法正确，结果合理，平台结构总体屈服屈曲强度满足船级社的要求;

2)空间刚架梁模拟实际管系支撑结构进行各个改造方案的总体强度分析是可行的，符合规范提出的设计思路，并且刚架梁的总体压杆稳定性满足要求;

3)方案中下船体交叉管系结构通过特别的结构设计及焊接方式，有效地满足了管节点疲劳强度问题，而对此类结构的疲劳强度分析需要进一步研究优化。

［1］李 平，李 磊，王媛媛，等.半潜式平台空间刚架模型强度分析［J］.中国造船，2011，52(增1):179 －181.

［2］DNV RP-C103，Column-Stabilized Units［S］.挪威船级社，2005.

［3］李润培，王志农.海洋平台强度分析［M］.上海:上海交通大学出版社，1992.

［4］赵腾伦.ABAQUS 6.6 在机械工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［5］朱以文，蔡元奇，等译.ABAQUS/STANDARD 有限元软件入门指南—ABAQUS/CAE 版［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［6］王勖成，邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法［M］.第2 版，北京:清华大学出版社，1997.

［7］刘鸿文.材料力学［M］.第3 版，北京:高等教育出版社，1992.

［8］ABS，Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Unit［S］.美国船级社，2008.