基于模型重構(gòu)的在役海洋鉆機底座結(jié)構(gòu)性能分析

劉金梅, 肖緒好, 周國強

(東北石油大學 機械科學與工程學院, 黑龍江 大慶 163318)

1 引 言

底座桁架式結(jié)構(gòu)作為海洋鉆機的重要部件，是保證海上鉆采作業(yè)安全運行的重要結(jié)構(gòu)之一[1,2]，其工作環(huán)境復(fù)雜,腐蝕問題比較突出,材料性能退化嚴重,因此結(jié)構(gòu)的承載性能將不斷降低。定期對桁架式結(jié)構(gòu)進行安全評估和加固分析對確保海洋平臺安全高效作業(yè)具有非常重要的意義。傳統(tǒng)的底座安全評估主要依據(jù)表觀損傷調(diào)查和應(yīng)力應(yīng)變測試的結(jié)果,通過線性外推得到極限載荷下的承載能力[3,4]。這些方法測點數(shù)量有限,加載工況存在不確定因素,使得測評結(jié)果難以全面反映結(jié)構(gòu)的承載能力,尤其是長期作業(yè)于海況環(huán)境中的平臺鉆機底座。葛運春等提出了應(yīng)力集中桿件等效處理和超聲波測厚方法，建立更加精確的有限元模型來評價底座腐蝕[5]。然而對于鉆機底座這種桿件數(shù)多的復(fù)雜鋼架結(jié)構(gòu),完全依靠人力現(xiàn)場測繪結(jié)構(gòu)參數(shù)并不現(xiàn)實。隨著現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展,加載試驗和有限元方法逐漸被應(yīng)用到在役結(jié)構(gòu)的性能評價上,更全面地反映了結(jié)構(gòu)的受力、變形情況,且測評過程安全高效,為解決復(fù)雜的工程計算問題提供了有效途徑,但難點在于如何建立起貼合實際的有限元模型。王元清等發(fā)展了基于最優(yōu)化理論的模型修正法,并將其應(yīng)用于在役橋梁承載性能分析,從而獲得了更適于工程應(yīng)用的安全評估結(jié)果[6]。

本文以結(jié)構(gòu)安全評價為目標,發(fā)展了基于最優(yōu)化的模型重構(gòu)方法,結(jié)合工程經(jīng)驗,綜合考慮加載試驗和數(shù)值模擬研究在役底座的安全承載能力,以得到更為全面的底座安全性能分析和更加精確的加固方案。

2 基于最優(yōu)化的模型重構(gòu)方法

2.1 最優(yōu)化的參數(shù)化建模問題

結(jié)構(gòu)模型重構(gòu)的實質(zhì)就是進行參數(shù)化尋優(yōu)。其中參數(shù)化是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)文獻[7]提出的鑒定能力指數(shù)Ic:

(1)

式中:ntc為測試工況數(shù);nd為單工況測點數(shù);np為結(jié)構(gòu)參數(shù)個數(shù)。Ic越大尋優(yōu)的可靠性越大,因此在ntc×nd有限的情況下需要考慮如何使結(jié)構(gòu)參數(shù)個數(shù)np盡可能小[7]。具體的實施步驟為:1)由于底座是左右對稱的空間桁架結(jié)構(gòu),則根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性和構(gòu)件功能的相似性,將參數(shù)單元進行分組;2)根據(jù)現(xiàn)場檢測報告、相似工程經(jīng)驗以及測試數(shù)據(jù)的分布特點進一步分組形成參數(shù)集{p},參數(shù)集的內(nèi)容包括底座主要承載部件的截面參數(shù),如圖1所示。3)參數(shù)敏感性分析,確定敏感參數(shù)。

圖1 底座結(jié)構(gòu)主要承載桿件截面示意圖Fig.1 Section sketch of member bar of substructure

分析參數(shù)的敏感性時從方便工程應(yīng)用角度出發(fā),將一階微分形式近似地表述成一階差分形式[8]:

(2)

式中:p為參數(shù);fr為參數(shù)p對應(yīng)的目標數(shù)值;pi為第i個參數(shù); Δp為參數(shù)的差值。

通過計算,將參數(shù)分為幾個等級。建模時采用參數(shù)化建模方法,將式(2)參數(shù)作為設(shè)計變量,建立底座結(jié)構(gòu)的初始模型,分析時對這些參數(shù)賦予不同的值。

2.2 基于優(yōu)化修正的重構(gòu)模型

minf(s)Tf(s)

(3)

式中n為參數(shù)集參數(shù)的數(shù)量。

2.3 模型重構(gòu)步驟

對在役海洋平臺鉆機底座進行最優(yōu)化參數(shù)估計獲得最優(yōu)模型。

步驟1:模型參數(shù)化,采用參數(shù)化建模方法建立模型,并將設(shè)計變量初始化,為修正模型提供可能;

步驟2:宏觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析,劃分網(wǎng)格、加載、計算分析;

步驟3:分析參數(shù)的敏感性;

步驟4:構(gòu)建優(yōu)化分析文件,選取優(yōu)化算法,進行優(yōu)化迭代尋求最優(yōu)解;

步驟5:設(shè)計變量更新;

步驟6:確定控制條件,判斷是否滿足約束條件,如果不滿足,則重復(fù)步驟2～步驟5,如果滿足,則進行后處理,輸出相關(guān)參數(shù)。

每次計算都是按靈敏度從高依次到低進行,當高一等級參數(shù)取收斂值時,下一等級參數(shù)取初始值再重新計算,從而實現(xiàn)逐級多階段修正。

3 海洋鉆機底座重構(gòu)模型

3.1 底座結(jié)構(gòu)分析和初始化模型

以某海洋平臺使用的鉆機底座為例,該桁架結(jié)構(gòu)主體由鉆臺面、上底座、下底座組成。鉆臺面為單層框架結(jié)構(gòu),高度為9.016 m,鉆臺面積為13.042 m×11.470 m; 上、下底座均為格構(gòu)式鋼架結(jié)構(gòu),上底座面積為10.835 m×11.470 m,下底座面積為19.600 m×11.470 m。上、下底座之間有導軌,依靠液壓裝置,鉆臺面隨同上底座在導軌內(nèi)滑動,可移動5個位置,滿足不同井位的作業(yè)需要。底座的主要承載桿件為H型鋼,使用的是Q345鋼材,材料參數(shù)見表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

建立參數(shù)化模型時將桿件簡化為具有6個自由度的梁單元并進行約束處理:由于上底座帶動鉆臺面在下底座的導軌內(nèi)滑動,故鉆臺面和上底座之間、上底座和下底座之間采用節(jié)點耦合;由于在鉆井作業(yè)時下底座是固定不動的,故下底座和平臺之間采用全約束,而其余連接處均假定為剛性節(jié)點，本文建立的初始模型如圖2所示。

圖2 底座結(jié)構(gòu)初始模型Fig.2 Substructure initial model

3.2 底座結(jié)構(gòu)試驗

以底座在第1井位時進行承載能力試驗。由于底座是左右對稱結(jié)構(gòu),試驗時僅在結(jié)構(gòu)的一側(cè)布置傳感器,第1井位位置及測試布置方案見圖3所示。

圖3 底座試驗測點布置方案Fig.3 Testing arrangement of substructure

承載試驗時在線彈性范圍內(nèi)進行逐級加載,依次提升下放5個載荷,載荷分別為352.0， 704.9， 898.7， 588.0和374.7 kN。由于篇幅所限,本文僅列出轉(zhuǎn)盤梁①號橫梁、上底座④號橫梁、上底座號立柱的實測數(shù)據(jù)分析曲線,如圖4所示。①號橫梁、④號橫梁、號立柱的具體位置分別用箭頭標示在圖3中,每個桿件在工字鋼前后翼緣各布置測點,分別對應(yīng)圖中的1#和2#、7#和8#、27#和28#。

圖4 底座試驗實測曲線Fig.4 Testing curves of substructure

3.3 底座基準模型的建立

修正時以前三階(提拉階段)時的實測數(shù)據(jù)作為模型修正的基準數(shù)據(jù),后兩階(下放階段)時的實測數(shù)據(jù)作為結(jié)果預(yù)測的驗證數(shù)據(jù)。提取實測加載平穩(wěn)段的數(shù)據(jù)(如表2所示),以該數(shù)據(jù)為基準進行模型修正。修正后的模型數(shù)值模擬時程結(jié)果如圖4所示,加載平穩(wěn)段的修正值和預(yù)測值見表2和表3所示。

表2 模型修正前后應(yīng)力結(jié)果對比Tab.2 Comparison of stress parameters of testing and finite element analyzing MPa

表3 測試載荷作用底座的預(yù)測結(jié)果Tab.3 Stress predict results in testing load condition MPa

結(jié)果表明:測試時程曲線和修正后模型的模擬時程曲線有良好的吻合度。

修正應(yīng)力值和實測結(jié)果非常接近,尤其是高階載荷的修正值在工程允許的范圍內(nèi),因此可近似認為修正后的模型能夠比較精確且略偏保守地反映該底座的力學性態(tài)。

以修正后的模型參數(shù)作參考值,分別對5個不同井位進行數(shù)模的建立,如圖5所示。

圖5 底座基準模型下不同井位圖Fig.5 Simulation model of substructure

4 海洋鉆機底座結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 作業(yè)工況下的動力特性分析

海洋鉆機底座作業(yè)工況下受工作載荷及風載荷、波浪載荷等動載荷作用的影響很大,因此有必要對其進行動力特性分析。通過對底座進行動力特性分析,得到不同井位的模態(tài)頻率如表4所示。以一階振型為例,底座一階振型等值線圖如圖6所示,各井位均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)整體左右振動。

正常工作載荷條件下鉆機考慮的主要工作轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,如果轉(zhuǎn)盤的某級擾動頻率與底座的固有頻率接近,就可能發(fā)生共振。若轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速范圍低于300 r/min,則其擾動頻率范圍為0～5 Hz,該底座不在攏動頻率范圍內(nèi);若轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速范圍超出300 r/min,該底座低階頻率處于在攏動頻率范圍內(nèi)。因此,在作業(yè)過程中,應(yīng)注意檢測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。

表4 不同井位下鉆機底座的頻率分析結(jié)果Tab.4 Structural freqnency under different well locations Hz

圖6 底座1階振型等值線圖Fig.6 Contour plots of the first-order vibration mode of substructure

4.2 設(shè)計工況下的承載性能分析

承載性能分析是在役底座安全評估的重要部分。按使用方的要求,該鉆機底座原配套使用的井架超過服役期,欲更換新井架,需要對更換新井架后底座能否滿足原設(shè)計載荷的鉆井作業(yè)要求,以及能否具備更高一級的承載能力進行預(yù)測。對修正后的基準模型進行承載性能分析。通過分析發(fā)現(xiàn):

1) 底座第1井位時變形最為嚴重,且以縱向變形為主,集中體現(xiàn)在立根和轉(zhuǎn)盤梁處,立根梁最為嚴重,如圖7(a)所示;

2) 軸向應(yīng)力較大的地方體現(xiàn)在下底座幾個斜撐桿處,也是第1井位時嚴重,鉆臺面與上底座連接的橫梁處受力較大,上、下底座連接處側(cè)橫梁也是受力較大的地方;

3)最大等效應(yīng)力(von Mises)集中體現(xiàn)在立根梁和轉(zhuǎn)盤梁處,彎曲應(yīng)力占主導地位;

4)第3井位最為嚴重,最大von Mises應(yīng)力為238.0 MPa,如圖7(b)所示;

5)第1井位和第5井位的受力和變形比較接近,第2和第4井位介于第1，第5井位之間。

圖7 底座數(shù)值模擬等值線圖Fig.7 Contour plots of substructure simulation

數(shù)據(jù)分析時以第1、第3井位為主,預(yù)測分析結(jié)果見表5所示。表5中比較了應(yīng)力實測線性外推結(jié)果,從表5可以看出:傳統(tǒng)線性外推結(jié)果與預(yù)測結(jié)果差異較大,只能反映被測桿件位置的外推,不足以反映結(jié)構(gòu)的最嚴重位置;且只能做實測井位的外推,無法對其它非實測井位的力學性態(tài)進行外推;只能對實測環(huán)境工況進行外推,即便能對偶然環(huán)境工況外推,也是考慮了各種折簡的經(jīng)驗公式,不能很好地反映偶然環(huán)境真實性狀。因此不能全面地評價底座結(jié)構(gòu)性能。

表5 設(shè)計載荷作用下底座的預(yù)測結(jié)果Tab.5 Stress predict results in design load condition MPa

經(jīng)綜合評定,該底座能滿足4 500 kN而不能滿足6 750 kN的鉆井作業(yè)要求,需降級處理,承載薄弱位置如圖8所示。

圖8 底座加固位置Fig.8 Reinforcement position of substructure

5 結(jié) 論

1) 以某海洋鉆機底座為研究對象,將實測數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)合,模擬底座在不同井位作業(yè)時的靜、動態(tài)力學性態(tài),可以預(yù)測底座的薄弱井位、結(jié)構(gòu)的薄弱部位,提出更為可靠的加固方案,為實際作業(yè)提供參考。

2)采用最優(yōu)化原理和一階搜索算法獲得的底座最優(yōu)模型,可以較為精確且略偏保守地預(yù)測在役底座在設(shè)計荷載下的承載性能和動力特性,實現(xiàn)較為系統(tǒng)的在役海洋鉆機底座安全評估。