基于Solidworks的自升式钻井平台升降基础结构建造流程仿真

蓝巨滔+李家林

摘 要：自升式钻井平台升降基础分段的结构形式复杂且空间紧密，板材厚，全部为全焊透结构，建造难度大。本文利用Solidworks软件对升降基础分段的各个零部件进行建模，根据建造流程策划对升降基础分段进行虚拟装配，并通过制作动画对建造流程进行仿真分析。根据仿真结果对流程进行优化，得到最优化建造流程，提前预知建造过程的难点，制定合理施工步骤，确保升降基础分段的建造质量。

关键词：自升式钻井平台；升降基础结构；Solidworks软件；建模；建造流程仿真

中图分类号：U671.4 文献标识码：A

Abstract：The structure of gear unit support foundation on the Jack up drilling unit is complex， the inside space is very small， the plates of gear unit support foundation are relatively thick and the well seams are full penetration welded， therefore it is very difficult to complete the structures construction. In this paper， the structures 3D modeling is established with the 3D CAD software olidworks， the virtual assembly for gear unit support foundation block is completed and the animation is made to carry on the simulation analysis of the whole construction process. Through the analysis， the most optimized construction process is obtained to visually describe the whole construction process， guide site construction and to ensure the construction quality of the structure.

Key words： Jack up drilling unit； Structure of Gear Unit Support Foundation； Software Solidworks； Modeling； Construction Process simulation

1 前言

升降基础结构是自升式钻井平台的关键结构，是升降装置和缩紧装置的载体，为桩腿升降提供导向，起到连接桩腿和主船体的作用。基于它的特殊用途，其板材多为高强度厚板，结构复杂，形式紧密。升降基础分段的建造是整个平台建造的难点和关键，需要根据其结构特点进行建造流程策划。由于其结构复杂，空间狭小，单纯的根据二维图纸对建造流程进行策划难度很大，而且也容易出错。另外，虽然通过CAD绘图方法能将二维再转成三维，可以直观地观察升降基础的结构特点，但由于不能进行仿真，故容易犯同样的错误。

本文以R-550D自升式钻井平台的升降基础为载体，采用简单便捷的三维建模方法对升降基础分段的各个零部件进行建模，利用其仿真功能校验初步策划的建造流程，对可行的流程进行优化，从而确定最优化的建造流程，通过三维视图等轴的形式，直观地描述整个建造流程，指导建造实施。

2 升降基础分段建模

2.1 仿真要求下solidworks建模的原则

要对升降基础分段的建造进行仿真，首先需要在Solidworks软件内建立升降基础分段的模型。在Solidworks软件内，建模对象分为零件与装配体。零件是最基本的模型单元，装配体由多个零件组成，单个零件不能单独移动，单独移动的操作对象仅为装配体。升降基础分段的结构复杂，零部件繁多，考虑到仿真的需要，在建立模型时每个零件应作为单独的装配体进行建模，以实现仿真时的独立移动。

2.2 升降基础分段的建模

R-550D自升式钻井平台升降基础分为下基础分段和上基础分段，下基础分段结构形式相对简单，上基础分段结构形式紧密且复杂，仿真的对象重点在于上基础分段。

在初步策划升降基础分段建造流程时，下基础分段分成下导向结构、下箱形结构、中间导向结构和上箱型结构四个中组件进行建造；上基础分段分成锁紧装置区域结构、齿轮箱和上导向结构三个中组件进行建造。根据以上策划，在建模时下基础分段分成四部分建模仿真，上基础分段分成三部分建模仿真，通过Solidworks软件建立的下基础分段和上基础分段如图1、图2所示。

对狭窄区域的结构，需要开设作业工艺孔以满足施工的要求，因此工艺孔的位置也应在建模的过程中体现在模型内，以检查工艺孔的设置是否合理。

对于结构复杂的上基础分段，各中组件的模型如图3、图4、图5所示。

3 建造流程仿真

3.1 Solidworks仿真的原理

在Solidworks软件中，对于已建立的模型可以通过设置爆炸视图和建立运动算例来实现仿真。通过爆炸视图的功能，按照策划的建造流程的各个步骤，逐步反推每个装配体（即各个零件）的发散顺序，合理设置每个装配体的移动距离，使整个模型发散变成由装配体组成的状态，然后通过运动算例，使各个装配体按照设想的顺序逐一组装在一起，从而实现仿真，检查建造流程中各个组装步骤的正确与否进而优化。

3.2下基础的仿真endprint

在下基础分段内，较复杂的结构为下导向结构和中间导向结构，其空间狭小且完工后密闭，需要对建造流程进行模拟仿真。

对于下导向结构，在组件建造过程中是单面开口的箱型结构，其内部被5档竖隔板分隔，考虑到该结构在安装到平台上后会形成密闭空间，对于该结构的建造流程仿真，主要是考虑建造流程是否对焊接顺序、施工空间、建造精度及方便性有利。基于以上要求，在4档竖隔板上设置工艺孔，先安装竖隔板于水平封板上，然后安装四周的围壁板。

对于中间导向结构，是全封闭的箱型结构，相对于下导向结构，在部件建造阶段增加了一块水平封板，其建造流程与下导向结构差别不大。

3.3 上基础的仿真

上基础分段的三个中组件均为复杂紧密结构，对施工顺序有严密的要求，需要通过仿真动画对建造流程的每一步进行反复的论证，找出可能导致无法施工的位置，通过优化调整确定适合现场施工的建造流程。

齿轮箱结构是整个升降基础最复杂的部分，与其他位置的结构不同，齿轮箱结构在相同的高度空间内分成了两层空间，后壁板与中壁板之间形成了一个高度仅为431 mm的全密闭空间，而且该空间内存在大量的焊接工作，如果建造顺序不合理会产生大量无法焊接的位置，导致该结构的强度无法满足要求，故而齿轮箱结构的建造流程仿真过程是：将齿轮箱结构合理的分解成各个装配体，必要时可增加结构焊缝，以优先满足该狭小密闭空间的焊接要求。初步确定以齿轮箱后壁板为基面，先确定加强筋、方套、肘板等易于焊接的其他装配体的发散顺序，再按照可焊接的顺序，依次调整后壁板与中壁板之间的各个结构的发散顺序，然后通过算例进行动画组合，找出不合理的顺序再进行调整优化，如此反复，得出最合理的建造流程，以保证完成该狭小密闭空间内的焊接工作。

锁紧装置区域结构，在安装锁紧装置位置处的跨度尺寸较大，容易产生各种变形，在与齿轮箱结构相接处位置也存在狭小空间，不利于焊接施工，对建造流程的要求主要是便于精度控制，满足狭小空间施工。基于以上要求，在该结构的建造流程仿真中重点对锁紧装置安装位置的结构及狭小空间的结构处的建造流程进行检验，以后壁板为基面，先确定狭小空间处封板的装配顺序，再确定前壁板及左右壁板的装配顺序，最后确定各水平横档结构的装配顺序。

对于上导向结构，在组件建造过程中也是单面开口的箱型结构，与齿轮箱大组立后也会形成密闭空间，其建造流程与下导向结构差别不大。

根据仿真分析的结果，相应调整需要优化的步骤，形成最优化的建造流程，然后根据建造流程逐步制定相应的建造工艺，通过三维视图直观地表达每一个建造步骤，以指导现场施工。在实际施工过程中，仿真分析得出的建造流程为现场施工提供了指引，保障了升降基础分段建造的顺利开展。图6为上基础分段结构。

4 结论

通过仿真分析了升降基础分段建造流程中每个步骤的正确性，制定合理的施工步骤，有效解决狭小空间内复杂结构的装配与焊接问题，从而为升降基础分段的建造实施提供了有效保障。仿真分析可以有效解决船舶及海工产品建造过程中复杂结构的建造流程问题，在自升式钻井平台的生产中已经得到应用，在以后的工作中我们将在原有成果的基础上继续完善改进。endprint