6 结构工况分析

6 结构工况分析

对于环境载荷，计算时假定风、浪、流产生的最大载荷同时作用在主船体上［5］，风暴自存工况和钻井作业工况时在不同工作水深下环境载荷参数见表1和表2。

表1　风暴自存工况时的环境载荷参数

表2　钻井作业工况时的环境载荷参数

对不同波和流的作用方向，分别计算了共五种方向下波浪和海流对平台的作用（见图16），从而得到围井区结构应力最大的工况。这五种情况和上述六种工况共组成30种工况，再加预压载的一种工况，共计31种工况（见表3）。

图16　作用在平台上的五种波浪方向

表3　有限元分析所要考虑的所有工况

7　有限元分析及结果

通过采用SESAM软件GeniE建立自升式钻井平台模型，对于围井区结构舱壁采用等效截面梁的形式进行模拟［6］。桩腿弦管为自定义的梁单元，从而保证其刚性及截面特性与实际保持一致。

7.1 边界条件

根据规范要求，整个平台主体的边界条件依据规范取泥线以下3.05 m处进行铰支，桩腿与围井区的连接模拟是桩腿弦管与围井区上下导块和锁紧结构的三点连接，上下导块只约束水平位移，锁紧位置同时约束水平和竖直位移［7］。

7.2 计算载荷

计算载荷应考虑垂直方向和水平方向两种情况。对于风暴自存及钻井作业工况时（即表3中的工况1 — 工况15及工况16 — 工况30），对于垂直方向包括结构自重（包括主船体、升降基础、桩腿桩靴、悬臂梁、钻台等结构）、甲板可变载荷、惯性载荷，以及在建造过程中应考虑增加的额外载荷（本平台增加450 t）。对于水平方向主要为在五种方向上不同作业水深时的环境载荷。

需要注意的是，风暴自存的15种工况与钻井作业的15中工况在垂直方向上的计算载荷仅结构自重一样，其他受力均不一样，应分别施加计算。此外，同时在水平方向的环境载荷也不一样，每种工况也应分别计算。

对于第31种工况（预压载工况）仅分析垂直方向的载荷即可，不需要考虑水平方向的环境载荷。

7.3 有限元网格划分原则

网格划分单元的尺度不能大于屈曲半波长度的一半，有限元网格密度应达到足以使模拟板、扶强材、纵桁、舱壁、底板、甲板等这些结构所有相关局部屈曲变形和局部塑性变形［8］。考虑到围井区结构的重要性，横向与垂向以一个纵骨间距为一个单元，纵向以一个肋骨间距为一个单元，局部重要地方加密网格。以尾部左舷围井区为例，其有限元模型如图17所示。

图17　围井区有限元模型

7.4 计算结果

根据CCS规范及相关规定，参与分析的平台主体框架的结构构件应按以下规定确定其许用应力值［σ］：

式中：σS为材料的屈服强度，N/mm2；S为安全系数，（静载工况时取1.43，组合工况时取1.11）。

围井区所用钢材为CCS-AH36或CCS-DH36钢级，其屈服强度σS= 355 MPa。在组合工况下，安全系数S取1.11，此时许用应力［σ］= 355 / 1.11 = 319.8 MPa；在静载工况下，安全系数S取1.43，此时许用应力［σ］= 355 / 1.43 = 248.3 MPa。

经有限元分析计算，31种工况中共有7种工况下的最大应力在围井区结构上（见下页表4），其对应的应力云图见下页图18 — 图24。经过计算校核，结构屈服强度满足规范要求。

表4　有限元分析后围井区处于最大应力时的工况　MPa　

图18　尾部左舷围井区应力云图（工况1）

图19　首部围井区应力云图（工况6）

图20　尾部右舷围井区应力云图（工况7）

图21　尾部右舷围井区应力云图（工况8）

图22　尾部右舷围井区应力云图（工况14）

图23　尾部左舷围井区应力云图（工况15）

图24　尾部左舷围井区应力云图（工况31）

8　结　论

围井区结构是整个钻井平台结构的关键部位。本平台围井区选用高强结构钢材，采用对接肘板和内嵌式补板提高围井区结构的强度，优化焊接节点，而且节省材料，减轻船体质量，提高围井区整体的结构强度。围井区结构强度通过有限元计算表明满足规范要求，已获得相关船级社认可并在实际设计中得到应用。本文为围井区的结构设计提供了较好的参考依据。

［1］ 中国船级社.海上移动平台入级规范［M］.北京：人民教育出版社，2012.

［2］ 刘晔，张晓宇，张秀岩，等.“辽河一号”风机安装船结构设计［J］. 船舶，2015（4）：64-70.

［3］ 中国船级社.材料与焊接规范［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［4］ 邢金有.肘板连接的极限强度分析［J］.中国造船，1999（2）：69-73.

［5］ 黄一，栾林昌，张崎.自升式平台主船体结构强度分析［J］. 船海工程，2011（6）：125-128.

［6］ 朱亚洲，孙承猛，王凯，等. 风暴条件下自升式平台桩腿强度对节距敏感性分析研究［J］.船舶，2015（5）：51-58.

［7］ DNV. Recommended Practice DNV-RP-C205 Environmental Conditions Environmental Loads［S］. 2012.

［8］ 张津宁，吴剑国. 船体梁极限强度非线性有限元计算方法研究［J］.船舶，2015（4）：71-76.