一种非对称无横撑半潜式平台的整体强度评估❋

曹义军， 王树青❋❋， 宋宪仓， 傅 强,2

(1.中国海洋大学工程学院，山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100; 2.烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)



一种非对称无横撑半潜式平台的整体强度评估❋

曹义军1， 王树青1❋❋， 宋宪仓1， 傅 强1,2

(1.中国海洋大学工程学院，山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100; 2.烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东 烟台 264000)

本文基于设计波法对某新型半潜式平台的整体强度进行了研究分析。不同于传统半潜式平台结构形式，该新型半潜式平台的浮筒一大一小，对应的两组立柱也是一大一小，因此结构关于中纵剖面是非对称的；此外该半潜式平台没有横撑结构。本文首先确定了作业吃水和自存吃水情况下新型半潜式平台四种典型危险工况对应的设计波参数，然后研究分析了不同危险工况下半潜式平台的整体强度，并对新型半潜式平台与传统半潜式平台在整体强度方面的差异进行了比较。研究结果表明，该新型平台的最大应力最易出现在大立柱内侧与甲板连接拐角区域，而传统有横撑半潜式平台的最大应力多发生在横撑与立柱连接区域。此外，浮筒与甲板之间的大倒角设计有助于提高新型半潜式平台的整体强度。

新型半潜式平台；非对称浮筒；整体强度；设计波法

目前，半潜式平台、张力腿平台、Spar和浮式生产储油平台(FPSO)四大平台是深海油气开发的主要工具。其中，半潜式平台由于其超大的甲板空间、良好的运动性能和定位能力、以及足够大的可变载荷，逐渐成为海洋油气田勘探开发的主流工具。但是半潜式平台具有较大的横向和纵向跨度，从而使得其总体强度的研究显得非常重要。

近年来，国内外学者针对半潜式平台的强度分析已经进行了大量的研究。Aubault[1]等人对具有垂荡板的三立柱小型半潜式平台进行了强度分析，发现最大等效应力发生在横撑与立柱的连接处。王世圣[2]、张海彬[3]等用设计波法对具有双浮筒、四立柱带横撑的传统半潜式平台进行整体强度评估。结果表明传统对称有横撑半潜式平台高应力区域主要在：横撑与立柱连接区域、立柱与上甲板及浮筒连接区域。Lee[4]等用设计波法分析了双浮筒四立柱以及翼型横撑的传统半潜式平台的整体强度。发现高应力区域主要集中在三处：立柱与浮筒连接处，立柱与翼型横撑连接处和立柱与甲板连接处。郭勤静[5]等分析了一传统的对称浮筒有横撑半潜式平台的总体强度，为了提高平台的强度，提出了添加辅助立柱和撑杆的改进方案。谢文会[6]等人提出了典型节点强度分析方法,并利用这种方法分析了某半潜式平台立柱与撑杆连接区域节点的强度性能。嵇春艳[7]等人根据ANSYS/AQWA分析软件，提出了一套研究半潜式平台整体强度的方法。

本文研究的对象是全球首例采用了无横撑非对称主船体结构的某新型半潜式平台(见图1)。该平台在结构形式上有很大的创新，并且结构的创新使得平台在作业效率上有着显著的提升。新型平台的2个浮筒一大一小，2个吊机同时安装在大浮筒一侧，双机联合起吊时能更加灵活的调整起重平台与被安装平台的间距，提高作业效率；无横撑非对称主船体结构设计，通过降低拖航阻力和动力定位载荷，大大提高了作业效率；平台下船体配备了气动排压载水系统，可更加快速的调整平台，缩减起重作业时平台调整时间。同全球其他同类平台相比，该平台的起重能力位居前列，独特的设计使得该平台具有较高的灵活性，能满足大多数海上起重要求；同时该平台适用于具有恶劣海况的西非、巴西、墨西哥湾及英国北海等海域，能够在最大22 m波高的海况下工作。

图1 新型半潜式平台的几何模型和实体图

然而，该非对称无横撑平台在拥有超高作业效率的同时，其独特的结构形式，无疑会让人们对其整体强度能否满足要求产生质疑。通常撑杆结构对提高半潜式平台整体强度起到非常重要的作用，然而该新型平台没有横撑结构。因此，为了探明该新型半潜式平台的总体强度特点，及其与传统半潜式平台整体强度的差异，本文运用设计波法对其进行整体强度研究分析。

1 新型半潜式起重/生活平台

该新型半潜式平台集海上重型起重作业、甲板货物储存及生活居住功能为一体，且在起重作业方面表现出非常高的作业效率。该平台主尺度为：总长137.5 m，总宽81 m，型深39 m。其主要结构参数如表1。

表1 结构的主要参数

因为该平台没有横撑结构，因而建立的水动力模型中只包含Panel单元。根据结构尺寸参数建立水动力模型,如图2。坐标系符合右手定则，坐标原点x，y坐标位于平台中横剖面和中纵剖面的交点处，作业吃水时z向坐标原点位于离平台底部20 m处；自存吃水时z向坐标原点位于离平台底部17 m处。即坐标原点始终保持在水面处。

从图2中以看出，该平台两个浮筒的形状和大小都不一样，没有横撑结构；同时可以看出，立柱内侧与甲板的连接区域都是大倒角半径连接结构形式。

图2 新型半潜式平台水动力模型

2 平台整体强度分析流程

本文使用DNV船级社的SESAM软件包进行强度分析。首先，使用GeniE模块建立新型半潜式平台的湿表面模型和整体结构模型；然后，使用HydroD的WADAM模块计算水动力荷载；最后，考虑静压力载荷和水动力载荷作用下，使用SESTRA模块进行结构强度分析。值得注意的是，WADAM模块中计算的水动力载荷即所谓的载荷传递函数，是单位波幅波浪作用下的水动力载荷。将作用在结构上的单位波幅的水动力荷载从WADAM导入SESTRA计算结构的整体强度。然后基于线弹性分析，在XTRACT中将线性波幅响应线性叠加为设计波波幅响应，并且实际的工况是静水压力和波动载荷组合叠加。具体分析过程如图3。

2.1 荷载分析

根据规范的强度校核要求，设计工况包括恒定载荷、功能性可变载荷、环境载荷、意外载荷和变形载荷。其中一般分析考虑的设计工况必须包括两类工况，即恒定载荷(或叫静水载荷)和包括风、浪、流作用的环境载荷(或叫动载荷)。静力载荷通常就是结构体的静水压力；动载荷包括风、浪、流、地震、冰击等环境载荷。对平台整体而言，波浪荷载起决定性作用，某些海域中冰荷载、流荷载和风荷载也应予以考虑[8]。本文中只考虑波浪荷载的影响。

图3 半潜式平台强度分析流程图

根据DNV-RP-C103[9]规范可知，通常半潜式平台整体强度评估，需要考虑的水动力特征量包括以下7项,如图4所示：1)浮筒间的分离力FS；2)关于横轴的扭矩Mt；3)浮筒间的纵向剪切力FL；4)浮筒上的垂向波浪弯矩MV；5)甲板质量的纵向加速度aL；6)甲板质量的横向加速度aT；7)甲板质量的垂向加速度aV。

根据以上7种特征响应量可以推算出对应的波浪参数，作为相关特征响应量的设计波。对于半潜式平台，通常主要考虑横向分离力、纵向剪切力、横向扭矩和垂向弯矩四种特征响应量。本文针对无横撑半潜式平台研究，由横浪引起的浮筒间的分离力荷载将非常敏感，尤其是立柱有甲板下沿的连接部位，需要特殊考虑。

图4 水动力响应特征量

2.2 设计波筛选步骤

运用设计波法首先需要解决的问题就是选择不同响应特征量对应的设计波，包括波高、波浪周期、波浪浪向角、波浪相位角等。在本文中使用确定性方法确定设计波参数。确定性方法是一种更加简单易懂的波浪筛选方法，本文参照张海彬[3]和徐志亮[10]等总结的设计波法，分析步骤如下：

①根据半潜式平台结构的尺寸和形状确定四种典型工况下的波浪特征周期以及周期搜索范围；

②在频域内计算平台各特征工况下的波浪载荷，计算时取波浪周期为4～21s。其中，在特征周期附近的10s周期范围内取步长为0.2s，其他波浪周期范围取步长0.5s；

③从各工况对应的波浪载荷的传递函数中查找出最大的波浪载荷，并且查找出最大载荷对应的波浪周期、浪向及相位；

④借助规范的波陡公式(1)，计算步骤③中筛选出的波浪周期T所对应的极限规则波波高H：

(1)

其中:g为重力加速度;S为极限规则波波陡;H为波高。而规范[8]规定的极限规则波波陡S为:

(2)

其中:T为波浪周期；H100为百年一遇的最大极限波高，一般规范[9]中取32m。

⑤设计波参数的确定：步骤③中计算的最大响应对应的波浪周期、浪向和相位为设计波的周期、浪向和相位；步骤④中计算的极限规则波波高即为设计波波高。

2.3 本文中四种危险工况设计波参数的确定

从上节的设计波参数筛选步骤可知，波浪搜索的具体实施方案可以根据平台的主尺度特征制定，前提是假设波浪方向是等概率分布的。对于一些特定的危险工况，其危险浪向通常是确定的。例如横向分离工况，已经被大量的研究证实，其在横浪作用时最危险，因此其他浪向可以直接忽略。然而，本文的研究对象是一座非对称的平台，左右浮筒不对称，同时浮筒的首尾也不对称。所以，各设计工况的危险浪向都可能不同，则本文在计算入射角时，设置浪向覆盖盖所有范围，即取浪向范围为0°～360°，步长5°。

2.3.1 各危险工况设计波周期搜索方案[9]

本文研究对象作业水深500 m，属于深水范畴。因此，利用深水时波长和周期的关系式，即弥散公式(3)，来确定波浪周期的搜索范围。

(3)

(1)横向分离工况

根据规范[9],横向分离工况的危险波长大约为型宽的2倍，因而初步设定波长的搜索范围为1.5～2.5倍型宽。该平台的型宽是81 m，则波长搜索范围为121.5～202.5 m；那么由弥散公式求得对应的周期范围为8.83～11.39s,则选择周期搜索范围8～12s。而波长为型宽2倍对应的特征周期为10.2s,则在周期9.7～10.7s内取步长0.1s，其他波浪周期范围步长取0.5s。

(2)纵向剪切工况

剪切工况的危险波长大约为对角线长的1.5倍，则假设波长的搜索范围为1～2倍对角线长。本文中的结构取对角线时，将两浮筒近似为矩形截面的箱型浮筒，然后计算对角线长度约为131.04 m，则波长搜索范围为131.04～262.08 m，那么对应的周期搜索范围为9.2～12.96s，则选择搜索周期范围为9～13s。而波长为对角线长1.5倍对应的特征周期为11.2s,则在周期范围10.7～11.7s内步长取0.1s，其他波浪周期范围取步长0.5s。

(3)横向扭转工况

横向扭转的危险波长大约为1.0倍的对角线长，设定该波长搜索范围为0.6～1.4倍对角线长度，则波长搜索范围为78.62～183.46 m，那么对应的周期范围为7.1～10.8s，则取搜索周期范围7～11s。而波长为对角线长1倍对应的特征周期为9.2s，则在周期8.7～9.7s内取步长0.1s，其他波浪周期范围取步长0.5s。

(4)垂向弯曲工况

垂向弯曲工况的危险波长一般略大于结构总长，假设该工况波长搜索范围为对角线长的0.8～1.6倍，则波长搜索范围为104.83～209.66 m，则周期范围为8.2～11.6s，周期搜索范围为8～12s。而波长为对角线长1倍对应的特征周期为9.2s,则在周期8.7～9.7s内取步长0.1s，其他波浪周期步长取0.5s。

综上所述，4种工况的浪向搜索范围取0°～360°，步长取5°。不同工况设计波周期的搜索方案不同，具体搜索方案见表2。

2.3.2 设计波参数的确定

不同的设计波特征荷载需要借助不同的响应来表示，然后根据对应最大响应来查找其对应的波浪周期和浪向。本文研究中，中纵剖面上的横向力来确定横向分离力；中横剖面上的纵向弯矩来确定垂向弯矩；中横剖面上的纵向力来确定纵向剪切力；中横剖面上的扭矩来确定横向扭矩。如图5，各剖面示意图中，粉红色平面为平台中纵剖面，蓝色平面为平台中横剖面。

表2 设计波周期搜索方案

图5 各剖面示意图

使用SESAMHYDRODWADAM模块对新型半潜式平台波浪载荷进行计算，并在计算结果中搜索横向分离力、纵向剪切力、横向扭矩和垂向弯矩的最大响应，以及最大响应对应的波浪周期、波浪方向和波浪相位，即为设计波的周期、浪向和相位。然后，将波浪周期代入步骤④计算得到设计波的波高，从而得到设计波的所有参数。

由于文章篇幅有限，以下仅以作业吃水时的横向分离工况为例，进行横向分离工况设计波参数的筛选。首先建立该平台的水动力模型，然后计算作业吃水时，波浪周期在7～12s范围内不同浪向下的波浪载荷，最后从中选取横向分离工况时的波浪载荷，如图6所示(由于曲线太多，图中仅画出每隔30°的横向分离载荷)。最大横向分离力为1.648×107N，即中纵剖面上横向力的最大传递函数值。该最大值出现在横浪状态，图中显示在270°浪向时横向分离力最大，波浪周期为10s，对应的相位为-29.339°。确定了波浪周期，然后通过3.2节中的步骤④计算，得出波高为17.6m，即波幅为8.8m。从而得到作业吃水时横向分离工况的设计波参数，即波幅8.8m，周期10s，浪向270°，相位-29.339°。

图6 作业吃水时横向分离力传递函数

根据同横向分离工况设计波浪参数搜索相似的方案，对其它3种工况的设计波参数进行搜索，得到不同工况的设计波参数如表3。从表3中可以发现，对于相同设计工况，当平台吃水不同时，设计波参数也不相同，如纵向剪切、横向扭转和垂向弯曲。另外，这3种工况的设计波周期均不在各自特征周期附近的周期范围内。平台结构独特的外形可能是这种现象的主要原因。

3 整体强度计算

该新型半潜式平台的许用应力参照ABS船级社[11]针对半潜式平台结构分析规定的许用应力标准。

表3 不同工况的设计波参数

①Condition；②Typical load；③Period；④Wave direction；⑤Amplitude；⑥Phase angle；⑦Maximum response；⑧Operating condition；⑨Survival condition

(4)

其中:Fy为材料的屈服极限应力;F.S为应力安全系数;应力安全系数的选取标准见表4。

采用Von Mises等效应力校核本文半潜式平台的结构强度。等效应力的表达式为：

(5)

其中:σx为x方向的平面应力;σy为y方向的平面应力;τxy为平面剪应力。等效应力的许用应力同上式(4)，应力安全系数选取标准见表4。

表4 海洋平台许用应力衡准

Note:①Load condition；②Satety factor；③Auowable stress；④Auowable Stress；⑤Hydrostatic condition；⑥Combined load condition

作为一个无横撑的半潜式平台，平台立柱与甲板连接区域、立柱与浮筒连接等均为极限强度热点区域，该区域均使用屈服极限应力为550MPa的超高强度的钢材。

3.1 整体强度计算

根据结构的主尺度数据以及图纸资料，建立该平台的结构模型，如图7。计算中为了防止平台发生位移，需要对平台结构进行约束，约束区域应该位于应力非常小的位置。本文中遵照“321”原则，选择在浮筒底部且立柱中心正下方如图8所示区域。第一个点位于靠近大浮筒尾部位置，约束其x、y、z方向，转动自由；第二点位于靠近大浮筒艏部位置，约束其y、z方向，x位移方向和所有转动自由；第三个点位于小浮筒靠近艏部位置，为仅z位移方向被约束。

在本节中，利用设计波法分别研究分析了结构在不同工况作用下的平台整体强度。设置工况如下：

图7 新型平台的结构模型

图8 平台的约束布置

工况1：静水工况；

工况2：横向分离力工况；

工况3：纵向剪切力组合工况；

工况4：横向扭矩组合工况；

工况5：垂向弯矩组合工况。

新型半潜式平台在作业吃水20 m和自存吃水17 m时，计算结果分别如表5和6所示。典型工况下的应力分布如图9和10所示，其中图9为作业吃水时工况2的结构最大等效应力分布，可以看出最大等效应力发生出现在靠近船艏的大立柱内侧与甲板连接拐角区域；图10为作业吃水时，工况3的最大等效应力分布，其最大等效应力出现的区域为靠近船艏的大立柱前侧与下浮筒连接拐角区域。

表5 作业吃水时平台的最大应力及出现位置

表6 自存吃水时平台的最大等效应力及出现位置

图9 作业吃水工况2的应力分布

图10 自存吃水工况3的应力分布

对表5、6进行分析，可以得出几点结论：第一，应力较大的位置主要分布在立柱与甲板连接拐角区域、立柱与浮筒连接拐角区域；第二，最大应力多发生在大立柱内侧与甲板连接区域；第三，与衡准许用应力相比，结构满足整体强度要求。

另外，从表5中可以看出，新型半潜式平台在作业吃水的情况下，需要特别注意垂直于浮筒方向来浪(尤其是从小浮筒一侧来浪)导致的横向分离力。这种载荷引起的最大等效应力大于其他三种设计波载荷引起的最大等效应力；与其不同的是，自存吃水工况时，新型半潜式平台纵向剪切力引起的最大等效应力大于其他三种工况引起的最大等效应力，如表6所示。所以，作业吃水时要避免平台受到横向波浪载荷作用；自存吃水时要尽量避免纵向波浪载荷的作用。

3.2 新型平台和对照平台整体强度对比分析

为了研究大倒角设计对平台整体强度的影响，文中建立了一个对照平台，该平台立柱与甲板直角相连接，且具有横撑结构，平台主体其他部分和新型半潜式平台一样。同时，对照组半潜式平台结构内部的加强情况和新型半潜式平台基本相同，另外对立柱与横撑的连接处适当加强。湿表面模型和结构模型如图11。

图11 对照半潜式平台的湿表面模型和结构的整体模型

5种工况作用下，对比新型平台和对照平台在作业吃水时，立柱与甲板连接区域的最大等效应力(见表7)。

表7 作业吃水时对照平台的立柱与甲板连接区域的最大等效应力

对比表5和7，不同工况作用下新型平台在立柱与甲板连接区域的最大等效应力小于对照组平台在该处的等效应力，即当该非对称无横撑半潜式平台的立柱与甲板连接区域设计为大倒角结构形式时，它的整体强度甚至优于有横撑非对称半潜式平台。这种现象说明，大倒角设计对于该新型半潜式平台而言，对提高新型半潜式平台的整体强度非常有效。

另外，对照平台整体应力集中现象主要发生在：立柱内侧与甲板连接区域、立柱与浮筒连接拐角区域以及横撑与立柱连接区域。其中，最大等效应力主要位于横撑与立柱连接处。

4 结论

本文基于设计波法对某非对称无横撑新型半潜式平台的整体强度进行了研究分析。首先，建立了该平台的湿表面模型和结构模型；其次，根据结构的主尺度和波浪载荷传递函数，确定了各工况对应的设计波；然后，研究分析了该平台在不同设计波作用下的整体强度特点；最后，针对该平台的大倒角设计，引入一对照组半潜式平台，通过对比研究，分析了大倒角设计对新型平台整体强度的影响。研究结论如下：

(1)立柱与浮筒连接区域、立柱与甲板连接拐角区域为应力集中区域，建议对这些区域定期检测和维护。

(2)作业吃水时，横向分离工况下出现最大等效应力，尤其从小浮筒指向大浮筒方向的横向波浪；自存吃水时，纵向剪切工况将导致最大等效应力。在实际工程中应当尽量避免在这2种工况下作业。

(3)与对照组有横撑的半潜式相比，新型半潜式平台整体强度的特点主要体现为：对照组对称有横撑的半潜式平台的等效应力多发生在横撑与立柱的连接区域，而新型半潜式平台的极限应力多发生在大立柱内侧与甲板连接区域。通过对比发现立柱内侧与甲板连接处的大倒角结构是提高整体强度非常有效的设计。

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责任编辑 陈呈超

Global Strength Analysis of a Novel Semi-Submersible Platform

CAO Yi-Jun1, WANG Shu-Qing1, SONG Xian-Cang1, FU Qiang1,2

(1.College of Engineering, Shandong Provincical Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.CIMC-Raffles Offshore Institute Co Ltd., Yantai 264000, China)

Based on the design wave method, the global strength analysis of a novel accommodation/crane semi-submersible(SEMI) is conducted in this paper. The semi-submersible platform adopted in the paper is different from the conventional semi-submersible platform in geometrical characteristic and hydrodynamic performance. The novel semi-submersible platform, with two non-symmetrical pontoons and with two groups of non-symmetrical columns connected with the pontoons and deck, is not symmetrical about its middle longitudinal section. In addition, the shape of the pontoons at the bow and stern are not same with each other, and the horizontal connections braces of the novel semi-submersible platform is not taken into consideration at the design process to improve the towing speed. The unique geometrical characteristics of this novel SEMI makes its stress distribution distinguish from that of traditional semi-submersible, which makes it's necessary to study the global strength of the novel semi-submersible. In this paper, the wave parameter of the four kinds of typical conditions are first screened out based on the design wave method. Further, a fine meshed finite element model of the novel semi-submersible is established, and the global strength analysis are conducted under the typical design conditions to obtain the stress distribution of the novel platform via the quasi static analysis recommend by the design code. Finally, another novel semi-submersible platform with horizontal connection braces are demonstrated in the example, and the discrepancy of the stress distribution arising from the horizontal connection braces are investigated by comparing the stress result associated with the novel semi-submersible platform with and without horizontal braces. The numerical results indicate that the maximum Von Mises stress of the novel semi-submersible platform without horizontal connection braces occurs at the inner part of large columns and deck connection areas which may resulted from the discontinuity of the material. While the maximum Von Mises stress of the structure with horizontal connection braces mainly appears at the connection between the columns and the braces. In addition, it has found that the large fillet radius shape for the joint area, where columns and deck connect with each other, is an effective design to reduce the novel semi-submersible’s global strength. This study can provide a significance reference and guidance for the design of future new concept semi-submersible platform.

novel semi-submersible platform; asymmetrical pontoons; global strength; design wave method

国家自然科学基金项目(51490675;51379196)；泰山学者工程专项资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (51490675;51379196); The Taishan Scholars Program of Shandong Province

2015-04-11；

2016-03-15

曹义军(1990-)，男，硕士生。

❋❋ 通讯作者：E-mail：shuqing@ouc.edu.cn

P715

A

1672-5174(2016)12-117-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150098

曹义军， 王树青， 宋宪仓, 等. 一种非对称无横撑半潜式平台的整体强度评估[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2016, 46(12): 117-125.

CAO Yi-Jun, WANG Shu-Qing, SONG Xian-Cang， et al. Global strength analysis of a novel semi-submersible platform[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12): 117-125.