半潜式平台横撑波浪抨击载荷下结构强度分析

董 斌，陈凯旋，聂 焱，霍发力

(1. 武汉第二船舶设计研究院，湖北 武汉 420000；2. 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；3. 江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；4. Wood Group Mustang，上海 201206)

0 引 言

随着油气开采向深水发展，可运用在深水和超深水域的半潜式、TLP和Spar等浮式平台得到了快速发展。在极端海况下，平台受到波浪砰击可能会导致平台结构破坏，甚至人员伤亡事件，波浪抨击载荷是平台结构设计中必须考虑的因素之一。通常情况下，半潜式平台要求在平台设计自存工况下无负气隙现象，即不会出现波浪砰击现象。但是，平台结构强度如果能满足规范等相应的要求，平台局部的波浪砰击现象可以接受；而且这样设计难度会大大降低，节约大量成本。所以从全面考虑来说，局部波浪砰击可以接受更合理[1]。特别是横撑这样细长结构在波浪砰击作用下，容易产生破坏。准确预报平台横撑在波浪砰击下的响应对平台的设计非常重要。

本文以典型双浮体4立柱半潜式平台为例，运用Ansys-AQWA软件建立数值仿真模型，结合水池试验和风洞试验结果修正数值模型的阻尼系数、风和流载荷系数，准确模拟自存工况下风载荷、流载荷、波浪载荷以及全尺寸锚泊系统联合作用的平台横撑的波浪砰击现象，并结合平台总体结构强度分析结果，对平台横撑进行结构强度分析。

1 平台模型试验和数值模型

1.1 模型试验

通过平台水池和风洞模型试验的方法，得到更为准确的平台承受的风、浪和流载荷。为了得到较好的准确值，风洞试验模型与水池试验模型相似比不同，水池试验几何相似比采用1:38.9，而风洞试验模型采用1:130，如图1所示。

图1 水池试验和风洞试验模型Fig. 1 The test models of wave tanker and wind tunnel

通过水池试验可以取得平台的运动特性参数，为更准确修正模拟平台水动力运动奠定基础。为了得到平台较为准确的风和流载荷，对平台进行风洞试验，进而得到平台较准确的风和流载荷系数。

1.2 数值模型

运用大型有限元软件Ansys创建平台有限元模型，在Ansys-AWQA模块中进行模拟平台撑杆波浪砰击载荷。平台有限元模型及锚泊系统布置情况如图2和图3所示。

图2 Panel单元模型Fig. 2 The panel model of platform

图3 平台锚泊系统布置Fig. 3 The mooring system arrangement of platform

通过创建Tubular和Disc单元来修正平台结构的黏性阻尼，但是浮箱和立柱部分还要考虑其绕射和辐射，同时需要运用Panel 模型进行模拟。考虑到Morison单元承受的载荷与截面积尺寸成线性关系，所以把截面尺寸缩小为1/100，而计算载荷系数放大了100倍，这样在平台排水量影响非常有限的情况下，保证其拖曳力的载荷不变，图4给出了平台浮箱和立柱的Tubular和Disk单元。

图4 Tubular单元、Disk单元模型Fig. 4 The Tubular, Disk elements model

1.3 横撑波浪砰击分析关注点

结合横撑结构的特点，变直径圆柱结构，因此在横撑结构上，取相应的关注点位置进行考虑波浪砰击，相应位置如图5所示。

图5 关注点位置Fig. 5 Location of interest points

2 数值模型与试验对比

2.1 平台运动固有周期

表1给出了在静水中水池试验测试和数值模型模拟的平台固有周期。由结果可知，数值模拟和水池试验中得到的平台垂荡、横摇和纵摇的固有周期非常相近。

表1 静水工况下平台运动固有周期Tab. 1 The natural periods of platform in still water

2.2 平台运动响应

运用修正以后的数值模型，在平台尾迎浪工况下，对平台的纵摇和垂荡响应进行模拟，模拟结果与水池试验结果进行比较，结果如图6和图7所示。根据对比结果可知水池试验与数值模拟平台纵摇和垂荡响应非常接近。

图6 平台纵摇运动响应比较Fig. 6 Comparison of pitch motion response

图7 平台垂荡运动响应比较Fig. 7 Comparison of heave motion response

运用修改后的平台数值模型，对试验中的锚泊系统进行模拟。针对锚泊系统水平锚链张力Fx进行比较，结果如图8所示。可以看出，锚泊系统的数值模拟与水池试验非常相近，因此该修正以后的数值模型较为准确。

图8 在X方向上锚泊系统的锚链张力比较Fig. 8 Comparison of mooring tension in X direction

3 横撑结构强度分析

3.1 横撑波浪砰击载荷

在AQWA有限元软件中，运用修正以后的数值模型，在时域范围内计算横撑与水质点的相对速度，计算过程中考虑了浮箱和横撑的粘性阻尼等影响。

由于实际波浪的随机性，本文对给定的海况又分别选用10段不同的随机波浪，作为其子工况，根据规范要求[5]，时域模拟时间取3 h。假定半潜式平台横撑波浪砰击载荷满足Gumble分布，本文取10个子工况的90% Gumble值作为该工况下平台横撑波浪砰击载荷。

在自存工况下，平台横撑上关注点与水质点的相对速度如表2所示。

表2 自存工况下关注点处的最大相对速度Tab. 2 The point location and maximum relative velocity in survival condition

Gumbel分布见图9～图11。自存工况中最大相对速度为5.583 m/s ，波浪砰击载荷为82 269 N/m2。

3.2 平台横撑结构强度分析

3.2.1 平台整体的有限元模型

在自存工况下，对平台的横撑结构进行强度校核，平台总体结构模型如图12所示。

3.2.2 平台的ULS工况下忽略波浪砰击载荷的分析结果

本部分仅考虑平台在静载作用下横撑所承受的静载荷和浮箱、立柱等承受的波浪载荷作用下横撑所承受的动载荷。平台在工况ULS-A和ULS-B的工况下，总体结构Von Mises应力如图13所示；横撑的应力如图14所示。从结果可以看出，横撑在ULS-A和ULSB的最大应力分别是237 MPa和300 MPa。

3.2.3 横撑考虑波浪砰击载荷后的屈服强度校核

根据平台总体计算结果，运用Sesam软件中Submodel模块，考虑波浪砰击载荷后对横撑再进一步分析。横撑的子模型和承受的波浪砰击载荷，如图15和图16所示。根据运动响应计算的横撑与水质点的相对速度，计算得到相应的波浪砰击压强，以静载荷加载到子模型上。

图9 自存工况Case01下的关注点相对与海面的相对速度Fig. 9 The relative velocitys of interest points and seasurface in case01 survival condition

图10 点60001和点60002在自存工况下的相对速度的Gumbel分布Fig. 10 The relative velocitys of point60001 and point60002 in survival condition

分析结果如图16所示。根据分析结果可以看出，在波浪砰击载荷作用方向为0°的工况下，Von Mises应力达到最大，为347.2 MPa；由于超过许用应力309 MPa的范围非常小，横撑的屈服可以认为满足规范要求。由应力分布图可以看出，横撑在考虑波浪砰击载荷后应力超过150 MPa的面积比不考虑波浪砰击载荷的情况下明显增多，而且最大Von Mises应力由300 MPa增加到347.2 MPa，增加了15.7%。也就是说波浪砰击载荷在横撑上产生的应力很大，在设计过程中要充分考虑。

4 结 语

图11 点60003和点60004在自存工况下的相对速度的Gumbel分布Fig. 11 The relative velocitys of point60003 and point60004 in survival condition

图12 平台整体结构模型Fig. 12 The structural model of the platform

图13 平台总体强度结果ULSA和ULSB-Vomises StressFig. 13 The ULSA and ULSB-Vonmises Stress results of global model

图14 横撑总体强度结果ULSA和ULSB Vomises StressFig. 14 ULSA and ULSB max Von-Mises stresses, [Pa]

图15 0°和90°波浪砰击载荷压力示意图Fig. 15 The wave slamming pressure load 0° and 90° directions

图16 横撑自存工况下0°和90°方向上波浪砰击下的Von. StressFig. 16 The Von. Stress of brace in survival condition as slamming pressure 0° and 90° directions

结合DNV船级社规范要求，本文提出了半潜式平台横撑在波浪砰击载荷下屈曲和屈服强度校核的一种较准确方法，该方法充分考虑了横撑承受的静载荷、波浪砰击载荷、波浪载荷作用下横撑所承受的动载荷。通过对半潜平台横撑结构的分析，可以看出波浪砰击载荷在横撑上产生了很大的应力，使得横撑结构的最大Von.Mises Stress增加了15.7%，所以在半潜式平台设计过程中，横撑等细长结构的波浪砰击载荷要准确考虑。本文研究内容为海洋平台设计提供了有价值的参考。