自升式平台桁架腿性能参数敏感性分析

2012-06-17王宏安蒙占彬崔希君

城市建设理论研究 2012年35期

王宏安蒙占彬崔希君

摘要：本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件对其进行了静强度分析。以等效应力作为参数敏感性分析的性能指标，综合考虑了可变载荷、桁架腿间距、弦杆距离及水深等因素对桩腿性能指标的影响，进行了参数敏感性分析。对保证桩腿结构的安全性及桩腿结构优化具有重要意义，为自升式平台桁架式桩腿设计提供参考依据。

关键字：自升式海洋平台桁架式 ANSYS 参数敏感性

中图分类号： TU323.4 文献标识码： A 文章编号：

1 绪论

作为海洋油气勘探开发的重要装备，自升式平台是目前发展最为迅速、应用最为广泛的移动式平台，主要由平台主体、桩腿、升降系统、作业装置等组成。平台在工作时利用升降系统将平台主体举升到海面以上，免受波浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底进行作业。完成任务后，平台主体下降到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位作业。

桩腿是自升式钻井平台的关键构件，有柱体式和桁架式两大类。柱体式桩腿由钢板焊接成封闭式结构，其断面有圆柱形和方箱形两种，一般用于作业水深60m以下的自升式平台。水深加大，波浪载荷更大，结构重量增大，宜采用桁架式桩腿。它由弦杆、水平撑杆和斜撑杆组成，在弦杆上装有齿条。桩腿可按地质条件需要设置桩靴，桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形几种。与壳体式桩腿相比，桁架腿不仅重量轻，而且可以有效降低波浪力作用，从而降低平台结构的位移和应力响应，是一种较为理想的桩腿型式。平台工作水深变化较大，桩腿结构柔性较大，在波浪等环境载荷的作用下会产生较大位移、应力响应。本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件，对其进行了静强度分析及性能参数敏感性分析。

2桁架式自升式平台桩腿腿强度分析

2.1 桁架腿结构

桁架腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受的载荷传递给海底地基。桁架腿是镂空式结构，由弦杆（含齿条）、水平撑杆及斜撑杆组成，截面形状多为三角形，桁架腿下部一般连接有桩靴或桩脚箱，通过它们坐在海底，如图1所示。

图1 桁架式桩腿示意图

桁架式桩腿型式有很多种，主要差别在于撑杆支撑形式的不同。常见的撑杆形式主要有三种：第一种是K型，这种型式比较传统，应用广泛，Friede & Goldman公司设计的Super M2系列自升式平台即采用此种型式。第二种是X型，这种型式结构简单，只设X型斜撑杆和水平内撑，而没有水平撑杆。GustoMSC公司设计的MSC CJ-70系列平台即采用X型撑杆杆。第三种是inv-K型，它采用两个K型对接的型式，减少了水平撑杆的设置。Friede & Goldman公司设计的JU2000E新型平台即采用此种型式。由于篇幅限制，本文以最为常见的K型桁架腿结构建模。

2.2 参数化建模

ANSYS软件的标准分析过程包括：建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析三个步骤。对于一个复杂工程结构而言，对模型进行手动修改将十分困难。为此，ANSYS软件提供了一种以命令流方式进行分析的功能，即ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果数据，从而实现参数化有限元分析的全过程。桁架腿分析过程中涉及到的弦杆、水平撑杆、水平内撑杆、斜撑、波浪、海流、深水等一系列参数，都可以用变量参数来表示，只要改变这些变量参数的赋值就能获得不同的设计方案的分析过程，大幅度提高分析效率。

2.3 模型抽象及简化

为了正确反映平台主要部分之间的相互作用，本文中采用一个完整的空间模型来表达整个船体结构。由于本文主要着眼于桁架腿的分析，模型对平台结构进行了简化。平台主体简化为一刚性空间结构，其主要尺寸与船体实际结构近似，去除了对桁架腿计算没有影响的构件，使桁架腿传递垂直力和水平力更直接明了。

桁架腿通过桩靴（或桩脚箱）与地基之间相互作用，桁架腿底端实际上既不是完全刚接，也不是铰接，而是介于两者之间的弹性支承，可根据插桩深度和桁架腿尺度确定。因自升式平台桩腿一般插入土中不深，按照规范中的规定，取海底以下3m处铰支计算。环境载荷中的波浪载荷和流载荷以及桩腿自重由ANSYS自动施加。

2.4 计算算例

(1) 计算参数

计算参数如表1所示。

表1

(2) 静力计算及结果分析

环境载荷横向、纵向和斜向作用时，桩腿等效应力计算结果如表2所示

表2

由于桩腿结构弦管采用ASTM A514（屈服强度609MPa），根据规范计算其许用应力为487Mpa，最大应力都没有超过许用应力范围。当波流斜向入射时，桩腿的应力最大，因此斜向入射工况为危险工况，是结构的控制工况。由以上计算结果可知，桁架腿构件强度满足要求，并有较大的储备，对其参数敏感性分析是可行且必要的。

3自升式平台桩腿性能参数敏感性分析

3.1 主要性能指标

最大应力分析目的是确保桩腿结构的强度足以支持最大设计载荷。在使最大应力保持在许用应力以下的同时，通过要求桩腿支持最大设计载荷，可实现这一目的。限制的目的是防止发生结构失效。因此，本文研究考虑把桩腿结构的等效应力作为桩腿分析的控制指标。

3.2 主要影响参数

由于海洋环境载荷的复杂性，影响桩腿性能的参数有很多。为了充分研究各个因素对于桩腿性能的贡献，选取了可能影响桩腿性能的主要因素进行桩腿参数敏感性分析，分别为水深、海流、可变载荷、桁架腿间距、弦杆距离等因素。

(1) 海流

对于海流，如果海流按流剖面的形状进行分类可以分为三角形流剖面、梯形流剖面和矩形流剖面。前两者统称为剪切流，后者称为一致流。本文以三角型流剖面作为假想的流剖面，并以海面处流速作为海流参数。

(2) 平台载荷

平台的固定载荷包括结构自重和设备载荷。平台可变载荷是指那些可以被消耗的、易于移动的、数量视工况不同而变化的重量，如各液舱的配载、平台作业时相关载荷、直升机降落对平台的冲击载荷、甲板吊机载荷、其他生活供应设备等。不同工况下平台可变载荷变化最大，因此本文以可变载荷作为敏感性分析参数。

(3) 其他参数

其他参数较多包括水深、桩腿间距、弦杆距离、节距、弦杆、外径壁厚（弦杆、水平横撑、水平内撑、斜撑），这些参数对桩腿结构强度影响较大，本文选取水深、弦杆距离、桩腿间距都作为敏感性分析的参数。

3.3 桩腿性能敏感性分析算例参数