海洋平台结构安全性评估方法集成技术

单威俊，许 方，金建海，周 炜

(中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

海洋平台结构安全性评估方法集成技术

单威俊，许 方，金建海，周 炜

(中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

研究海洋钻井平台结构安全性评估程序集成技术，介绍集成系统的实现流程和功能模块。该系统是以Orient平台为基础开发的一套集成化仿真软件，实现包括前后处理的水动力性能预报和结构安全性分析过程。具有方便的使用界面、合理的输入输出接口、优良的计算结果实时显示和后处理功能，提供标准规范化的接口，使设计过程规范化和自动化，在设计阶段即可把握设计方案的综合性能，提高工作效率。

海洋平台;结构;安全性;集成

0 引言

在信息化背景下，海洋平台的安全性评估方法需要通过计算机技术加以实现和推广应用。美国、荷兰、挪威和日本等海洋工程技术发展较早的国家，在结构强度和疲劳分析等方面都发展了各自的数值计算方法和软件，可以预报深海平台的结构响应、强度和疲劳等。国际上也有该类商业化应用软件，如DNV开发的面向海洋工程分析的SESAM软件包，包括前后处理、水动力计算、结构强度分析和疲劳强度分析等功能。另外还有其他国家开发的软件包如Hydrostar，WAMIT，VMOOR等。我国海洋平台安全性评估研究起步较晚，近年来，相关科研院所以及高校进行了大量海洋平台的安全性评估基础技术和共性技术研究，并陆续开发了一系列相关计算程序，同时在国外商用软件基础上积累了一定的使用经验，但国内软件的技术水平与应用程度，与国外相比还有很大的差距［1］。因此，除了需要开发或完善这些评估计算软件，更需要开发友好的前后处理功能模块，并形成集成软件，才能提高软件的易用性和可靠性，进而真正推广这些评估软件的应用，以提高我国海洋平台安全性评估水平，提升深海海洋工程装备研制能力［2］。

平台安全性评估方法研究主要指平台结构的可靠性分析与安全性评估和油气作业的安全性分析与评估两方面。本文主要针对海洋平台的结构安全可靠性，分析相关方法，形成安全性评估预报集成软件。其技术特色和创新点为:在我国海洋钻井平台总体和结构性能自主研究的基础上，引进、消化和吸收当前国际上海洋平台结构可靠性和安全性预报、评估新技术。以半潜式钻井平台为基础，分析在我国近海海况下平台波浪载荷预报、水动力学特性、结构可靠性。

1 流程设计

该系统前台是以Orient平台为基础，根据专业分析需要定制界面，后台集成专业人员研制的求解程序。主要功能是对海洋半潜钻井平台的综合性能进行评估和预报仿真，可对海洋半潜钻井平台的波浪中运动性能和结构可靠性等进行全面的评估和预报。该系统针对的使用者为从事深海半潜钻井性能预报和评估的平台科研机构和设计院。

在Orient.CAE集成定制平台框架基础上，按照软件工程思想，规范专业人员计算程序的开发，对载荷计算程序、水动力快速预报计算程序、结构安全载荷能力系数相应的计算程序进行模块化开发与集成，固化预报与评估的使用流程和专家经验，定制专家化的界面。其中流程中每个模块都有直观且交互性很强的用户界面，支持外部模型和参数的导入，直观自动地显示中间和结果关键数据。根据海洋平台安全性评估分析需要进行定制，如坐标系定义、环境条件参数定义、平台属性参数定义、以及载荷计算、水动力预报等计算方法的控制参数以及各类结果的显示等。后台则是对水动力性能预报等计算模块的开发与改造。将前台与后台统一起来，形成一个统一的、封装了专家使用知识和方法、可方便快捷进行海洋平台安全性评估的集成软件系统。集成系统流程设计如图1所示，系统主界面如图2所示。

表1 功能模块Tab.1 Function module

图1 流程设计Fig.1 Process design

图2 主界面Fig.2 Main interface

图2中主界面分为菜单栏、设计导航窗口、图形显示窗口3个部分。功能窗口包括相关的预报和分析操作:平台参数，水动力性能预报、结构可靠性分析。图形显示窗口为三维模型和二维曲线显示区域。

2 平台参数

平台主参数是钻井平台进行安全性分析所需使用的公共参数，包括全局坐标系的定义，主尺度参数和平台模型。在使用各个模块进行预报和评估之前，首先需要设定钻井平台参数。其中的全局坐标系为程序内置，仅在集成系统给出示意图，提示分析人员按照示意图中的指示给定平台参数。结合分析人员多年的使用经验［3］，本集成系统目前支持导入SESAM Genie模块输出的模型、Iges格式CAD模型文件、bdf模型文件、mesh模型文件4种格式，并能三维显示;提供手工建模功能模块。

表2 平台参数Tab.2 Parameters of platform

3 水动力性能预报

水动力性能预报采用STF切片理论，假定平台的横向运动 (横荡、横摇、首摇）和纵向运动 (纵荡、垂荡、纵摇）相互独立，可以分别进行规则波运动响应预报;计算中，流体动力的粘性成份只考虑对横摇阻尼的影响，平台的横摇阻尼由兴波、粘性、兴涡和升力项等组成;不规则波中运动预报采用线性叠加原理，由非线性阻尼和横摇引起的横向运动的非线性采用横摇角的非线性迭代进行计算［4］。进行水动力性能预报时，首先要设置环境条件参数和控制参数，然后提交计算，计算完成后可以查看计算结果。

环境条件设置中，风、流、浪、频率和方向均可设置多个，分别设定名称并设置相关参数如参考位置、剖面系数、平均风速，流的方向、流速，浪谱的类型、谱峰值参数、有义波高、谱峰周期等［5］。设定的环境条件统一保存在工程数据文件中管理，进行安全性分析计算时统一提取。设置频率时，输入频率名称后可选择频率、周期、波长或者无因次频率方式设定，并能根据设置的开始、结束和间隔，自动插入多个频率值。

图3 频率设置界面Fig.3 Set the frequency

图4 方向设置截面Fig.4 Set the direction

尽管我国在海上石油勘探开发和半潜式平台的设计建造等方面积累了一定经验，但尚未全面掌握核心技术，形成具有自主知识产权设计能力［2］。目前我国的海洋平台设计相关标准还是根据美国的海洋环境条件数据及其海上固定平台设计实践所确定的。但由于我国所建海洋平台所处海域的海洋环境条件数据与美国的不同，将这些荷载和抗力的分项系数应用到我国海洋平台设计中不一定准确。非常有必要结合我国海洋环境实际的数据，开展海洋平台结构可靠安全性评估方法研究。因此，系统中环境条件的波浪散布图可以选择文件输入，也集成了西北太平洋的波浪数据，根据选择的海域可自动从数据库中提取相应的散布图数据，提交给分析计算程序。

图5 波浪设置界面Fig.5 Set the wave

图6 海域选择界面Fig.6 Select the seas

在设置好三向运动计算点、气隙计算点，并选择规则波或不规则波提交求解器计算水动力系数、运动响应，加速度后，可查看平台在规则波中运动响应RAO［6］。如纵荡幅值、横荡幅值、垂荡幅值、纵摇幅值、横摇幅值、首摇幅值，还可以选择不同浪向进行查看;规则波中的运动响应附加质量和阻尼系数，可以选择查看附加质量、阻尼系数、无因次附加质量、附加质量阻尼系数;规则波点加速度响应、运动、点加速度预报值则以文件方式输出。

4 结构可靠性分析

结构可靠性分析包括整体结构强度分析、局部加筋板LRFD设计和载荷自动加载。

图7 结果展示Fig.7 View results

图8 结构可靠性分析流程Fig.8 Structural reliability analysis process

整体结构强度分析mc_ultstr程序，为专业研究人员开发的半潜平台极限强度计算程序与蒙特卡罗模拟程序的结合体。它可以在板厚、材料弹性模量及材料屈服强度不确定性的前提下，计算半潜平台极限强度的概率特性。支持直接选择计算文件和界面输入2种输入方式;本文长度单位为mm，应力单位为MPa，腐蚀速率的单位为mm/year。本程序所有加筋单元的自身坐标原点为带板底面和腹板中心线的交点。界面输入顺序为总体参数－朝下加筋板－朝上加筋板－舷侧加筋板－向下硬角单元，向上硬角单元;横剖面单元划分及加筋板参数输入界面示意图如图9所示。

图9 参数输入Fig.9 Parameter input

4.1 输入流程

1）文件输入

由分析人员选择本地手工编辑好的*.Dat文件，直接调用求解器计算;

2）总体参数

首先输入加筋板数量，向下加筋板数量，向上加筋板数量，舷侧加筋板数量、硬角单元数，向下硬角单元数，选择中拱或中垂 (中拱为1，中垂为0），若不输入总体参数，则不能进行该模块其他参数的输入;

3）朝下/朝上，舷侧加筋板

根据总体参数中输入的朝下/朝上，舷侧加筋板数量，自动生成相应数量的单元格，在集成系统表格中编辑单元相关参数;

4）硬角单元

根据总体参数中输入的硬角单元数量，自动生成相应数量的单元格，由分析人员在表格中编辑单元相关参数。

4.2 求解器输入格式

求解器输入文件为input.dat，格式为:1）每2个输入量使用空格将其隔开。

2）第1行从左到右顺序分别为:加筋板数量，向下加筋板数量，向上加筋板数量，硬角单元数，向下硬角单元数，中拱或中垂 (中拱为1，中垂为0）。

3）输入单元时按照:朝下加筋板－朝上加筋板－舷侧加筋板－向下硬角单元，向上硬角单元的顺序输入。

4）朝下加筋板和朝上加筋板按从左到右顺序输入:带板宽度 (加强筋左右各半个板宽），带板厚，带板厚变异系数 (正态分布），腹板高，腹板厚，翼板宽，翼板厚，带板中心距基线高度 (基线取在下底板外缘），板长 (梁柱长度），侧向载荷q，MPa，材料屈服应力，MPa，材料屈服应力变异系数(对数正态分布），弹性模量，MPa，弹性模量变异系数 (正态分布）。

5）舷侧加筋板按从左到右顺序输入:筋下半个板宽，筋上半个板宽，带板厚，带板厚变异系数 (正态分布），腹板高，腹板厚，下翼板宽，上翼板宽，翼板厚，带板中心距基线高度 (基线取在下底板外缘），板长 (梁柱长度），侧向载荷q，MPa，材料屈服应力，MPa，材料屈服应力变异系数 (对数正态分布），弹性模量，MPa，弹性模量变异系数 (正态分布）。

6）硬角单元按从左到右顺序输入:带板宽，带板厚，带板厚变异系数 (正态分布），腹板高，腹板厚，带板中心距基线高度 (基线取在下底板外缘），侧向载荷q，MPa，材料屈服应力，MPa，材料屈服应力变异系数 (对数正态分布），弹性模量，MPa，弹性模量变异系数 (正态分布）。

以上尺寸单位均为mm。

由集成系统将输入参数保存为求解器的输入格式文件，调用求解程序进行计算;求解器输出结果文件:result.txt，结果文件为n行一列的散点结果值。输出文件为指定循环次数下的极限强度计算结果，若循环次数为50 000次，result.txt中便有50 000组数据，N·mm。集成系统分别调用Matlab的散点图、正态分布拟合和对数正态分布拟合的方法画出极限强度计算结果的拟合曲线。

局部加筋板LRFD设计程序，为基于一次二阶矩法，采用Matlab二次开发技术编写的半潜平台加筋板计算程序，主要由2个部分组成:1）半潜平台加筋板极限强度计算程序，此模块中又包含了无测压加筋板极限强度模型和有测压加筋板极限强度模型;2）半潜平台加筋板LRFD分项安全因子标定程序，在静水荷载、波浪荷载、动荷载情况下的加筋板LRFD设计公式将为如下形式:

图10 极限强度计算结果Fig.10 Limit strength results

式中:g为极限状态方程;fSW为静水弯矩引起的应力;fW为波浪弯矩引起的应力;fWH为动力弯矩引起的应力;kW为荷载组合系数;kWH为荷载组合系数;Fu为结构抗力;φFu，γfsW，γfW，γfWH为分项安全因子。

4.3 自动加载模块操作方法

自动加载模块是手工方式在Ansys中提取模型节点信息。操作方法如下:

1）启动Ansys，打开半潜平台有限元模型;

2）选择浮体表面 (CMSEL，S，NEWFUTIBIAOMIAN），显示面 (aplot），选中属于面的部分 (ALLSEL，BELOW，AREA），从选中单元中选择面单元(ESEL，R，TYPE，2），选择属于面单元的节点(ALLSEL，BELOW，ELEM）;

3）选择浮体肋骨框上的线 (CMSEL，S，NEWLEIGUKUANG），选择属于线的节点 (NSLL，R，1），显示节点 (nplot）;

4）保存节点文件到node文件 (NLIST，ALL，，，，NODE，NODE，NODE），file＞save as。

图11 LRFDFig.11 LRFD

图12 Ansys模型Fig.12 Ansysmodel

4.4 节点转换

1）选择Ansys有限元模型中手工提取的平台节点文件;

2）由集成系统调用节点转换程序完成节点转换;3）输出转换结果文件node.dat;

4.5 静水载荷

1）设定站数;

2）输入各站处的静水剪力和静水弯矩;

3）生成静水载荷文件STill.dat;

4）文件格式说明:第1列为站号;第2列为静水剪力，t;第3列为静水弯矩，t·m。

4.6 波浪载荷

1）输入半潜平台的垂线间长PLP，剪心高度Xs，站数;

2）首部剖面各站处的垂向剪力、垂向弯矩、水平剪力、水平弯矩和扭矩;

3）生成波浪载荷文件CH.DAT;

4）文件格式说明。

从尾部往首部排列。其中第1行分别为垂线间长和剪心高度，m，第2行为站数，第3行为空行，第4行开始为载荷文件;其中第1列为垂向剪力，MN;第2列为垂向弯矩，MN·m;第3列为水平剪力，MN;第4列为水平弯矩，MN·m;第5列为扭矩，MN·m。垂向弯矩从波浪载荷预报程序输出文件中读取。

4.7 载荷加载

1）以node.dat，STill.dat，CH.DAT作为输入文件;

2）由集成系统调用求解程序进行载荷计算;

3）输出载荷加载文件file.s01;

4）选择Ansys安装目录，由程序将生成的file.s01更名为semi.s01存放到Ansys目录下，并启动Ansys;

5）Ansys中点击Main menu＞solution＞Load stp option＞Read LS file，在出现的对话框中输入1，点击确定，完成加载;

6）在Ansys中完成计算并查看结果云图。

图13 Ansys分析结果Fig.13 Ansys results

5 结语

本文依托Orient集成平台，基于中国近海海况下，对高阶水动力快速预报计算程序、平台结构安全载荷能力系数预报程序的集成技术进行研究。结论如下:

1）针对中国近海海况，研究了复杂海况下水动力性能预报，为海洋平台的安全性评估预报奠定基础;

2）针对深海半潜式钻井平台，开展水动力计算方法研究;

3）首次在Orient.CAE集成定制平台上，集成开发我国近海海况下海洋平台安全性评估方法软件，形成自主知识产权的深海半潜式钻井平台结构安全评估软件，可以为深海半潜式钻井平台设计提供服务。

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Research on integration technology of offshore platform structural safety assessmentmethod

SHANWei-jun，XU Fang，JIN Jian-hai，ZHOUWei
(China Ship Scientific Research Center，Wuxi214082，China）

In this paper，the integration technology of offshore drilling platform structure safety assessment process is studied.It describes the implementation process of the integrated system and function modules.The system is a set of integrated simulation software，developes based on the Orient platform，including pre-post treatment of the hydrodynamic performance forecasting and structural safety analysis process.It provides a convenient user interface，reasonable input and output interfaces，results been displayed in real time and excellent post-processing functions.Standardization and normalization interface，design process standardization and automation have been made.The overall performance of the design can grasp in the design stage and improve work efficiency.

offshore platforms;structure;security;integration

TP391

A

1672－7649(2014）04－0036－07

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.007

2013－06－07;

2013－07－12

上海市科学技术委员会资助项目(［2012］12231203700）

单威俊(1982－），男，硕士，从事CAE二次开发技术研究工作。