6 結(jié)構(gòu)工況分析

對(duì)于環(huán)境載荷，計(jì)算時(shí)假定風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的最大載荷同時(shí)作用在主船體上［5］，風(fēng)暴自存工況和鉆井作業(yè)工況時(shí)在不同工作水深下環(huán)境載荷參數(shù)見表1和表2。

表1　風(fēng)暴自存工況時(shí)的環(huán)境載荷參數(shù)

表2　鉆井作業(yè)工況時(shí)的環(huán)境載荷參數(shù)

對(duì)不同波和流的作用方向，分別計(jì)算了共五種方向下波浪和海流對(duì)平臺(tái)的作用（見圖16），從而得到圍井區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的工況。這五種情況和上述六種工況共組成30種工況，再加預(yù)壓載的一種工況，共計(jì)31種工況（見表3）。

圖16　作用在平臺(tái)上的五種波浪方向

表3　有限元分析所要考慮的所有工況

7　有限元分析及結(jié)果

通過采用SESAM軟件GeniE建立自升式鉆井平臺(tái)模型，對(duì)于圍井區(qū)結(jié)構(gòu)艙壁采用等效截面梁的形式進(jìn)行模擬［6］。樁腿弦管為自定義的梁?jiǎn)卧?，從而保證其剛性及截面特性與實(shí)際保持一致。

7.1 邊界條件

根據(jù)規(guī)范要求，整個(gè)平臺(tái)主體的邊界條件依據(jù)規(guī)范取泥線以下3.05 m處進(jìn)行鉸支，樁腿與圍井區(qū)的連接模擬是樁腿弦管與圍井區(qū)上下導(dǎo)塊和鎖緊結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)連接，上下導(dǎo)塊只約束水平位移，鎖緊位置同時(shí)約束水平和豎直位移［7］。

7.2 計(jì)算載荷

計(jì)算載荷應(yīng)考慮垂直方向和水平方向兩種情況。對(duì)于風(fēng)暴自存及鉆井作業(yè)工況時(shí)（即表3中的工況1 — 工況15及工況16 — 工況30），對(duì)于垂直方向包括結(jié)構(gòu)自重（包括主船體、升降基礎(chǔ)、樁腿樁靴、懸臂梁、鉆臺(tái)等結(jié)構(gòu)）、甲板可變載荷、慣性載荷，以及在建造過程中應(yīng)考慮增加的額外載荷（本平臺(tái)增加450 t）。對(duì)于水平方向主要為在五種方向上不同作業(yè)水深時(shí)的環(huán)境載荷。

需要注意的是，風(fēng)暴自存的15種工況與鉆井作業(yè)的15中工況在垂直方向上的計(jì)算載荷僅結(jié)構(gòu)自重一樣，其他受力均不一樣，應(yīng)分別施加計(jì)算。此外，同時(shí)在水平方向的環(huán)境載荷也不一樣，每種工況也應(yīng)分別計(jì)算。

對(duì)于第31種工況（預(yù)壓載工況）僅分析垂直方向的載荷即可，不需要考慮水平方向的環(huán)境載荷。

7.3 有限元網(wǎng)格劃分原則

網(wǎng)格劃分單元的尺度不能大于屈曲半波長(zhǎng)度的一半，有限元網(wǎng)格密度應(yīng)達(dá)到足以使模擬板、扶強(qiáng)材、縱桁、艙壁、底板、甲板等這些結(jié)構(gòu)所有相關(guān)局部屈曲變形和局部塑性變形［8］。考慮到圍井區(qū)結(jié)構(gòu)的重要性，橫向與垂向以一個(gè)縱骨間距為一個(gè)單元，縱向以一個(gè)肋骨間距為一個(gè)單元，局部重要地方加密網(wǎng)格。以尾部左舷圍井區(qū)為例，其有限元模型如圖17所示。

圖17　圍井區(qū)有限元模型

7.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)CCS規(guī)范及相關(guān)規(guī)定，參與分析的平臺(tái)主體框架的結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按以下規(guī)定確定其許用應(yīng)力值［σ］：

式中：σS為材料的屈服強(qiáng)度，N/mm2；S為安全系數(shù)，（靜載工況時(shí)取1.43，組合工況時(shí)取1.11）。

圍井區(qū)所用鋼材為CCS-AH36或CCS-DH36鋼級(jí)，其屈服強(qiáng)度σS= 355 MPa。在組合工況下，安全系數(shù)S取1.11，此時(shí)許用應(yīng)力［σ］= 355 / 1.11 = 319.8 MPa；在靜載工況下，安全系數(shù)S取1.43，此時(shí)許用應(yīng)力［σ］= 355 / 1.43 = 248.3 MPa。

經(jīng)有限元分析計(jì)算，31種工況中共有7種工況下的最大應(yīng)力在圍井區(qū)結(jié)構(gòu)上（見下頁(yè)表4），其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖見下頁(yè)圖18 — 圖24。經(jīng)過計(jì)算校核，結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表4　有限元分析后圍井區(qū)處于最大應(yīng)力時(shí)的工況　MPa　

圖18　尾部左舷圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況1）

圖19　首部圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況6）

圖20　尾部右舷圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況7）

圖21　尾部右舷圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況8）

圖22　尾部右舷圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況14）

圖23　尾部左舷圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況15）

圖24　尾部左舷圍井區(qū)應(yīng)力云圖（工況31）

8　結(jié)　論

圍井區(qū)結(jié)構(gòu)是整個(gè)鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。本平臺(tái)圍井區(qū)選用高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼材，采用對(duì)接肘板和內(nèi)嵌式補(bǔ)板提高圍井區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化焊接節(jié)點(diǎn)，而且節(jié)省材料，減輕船體質(zhì)量，提高圍井區(qū)整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圍井區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通過有限元計(jì)算表明滿足規(guī)范要求，已獲得相關(guān)船級(jí)社認(rèn)可并在實(shí)際設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。本文為圍井區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了較好的參考依據(jù)。

［1］ 中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范［M］.北京：人民教育出版社，2012.

［2］ 劉曄，張曉宇，張秀巖，等.“遼河一號(hào)”風(fēng)機(jī)安裝船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］. 船舶，2015（4）：64-70.

［3］ 中國(guó)船級(jí)社.材料與焊接規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［4］ 邢金有.肘板連接的極限強(qiáng)度分析［J］.中國(guó)造船，1999（2）：69-73.

［5］ 黃一，欒林昌，張崎.自升式平臺(tái)主船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］. 船海工程，2011（6）：125-128.

［6］ 朱亞洲，孫承猛，王凱，等. 風(fēng)暴條件下自升式平臺(tái)樁腿強(qiáng)度對(duì)節(jié)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］ 張津?qū)?，吳劍?guó). 船體梁極限強(qiáng)度非線性有限元計(jì)算方法研究［J］.船舶，2015（4）：71-76.