海洋平台极限强度分析的有限元方法

2017-06-22兰海臣王建涛顾瞿飞

中国高新技术企业 2017年10期

兰海臣　王建涛　顾瞿飞

摘要：勘探、开采海洋石油要应用大型海洋石油平台。海洋平台设计制造过程中的极限强度分析是重要内容，欲得到准确的分析结果必须采用正确的分析方法和手段。文章采用某一平台算例，利用大型有限元分析软件建立模型，在规范要求的环境组合下进行极限强度分析，得出计算结果，可以为平台设计制造做指导。

关键词：海洋平台；极限强度；有限元；石油勘探；石油开采文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2017）10-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.006

1 概述

能源是人类社会发展的物质基础。随着经济的快速发展，石油的需求量日益提高，同时陆地石油不断减少，海洋石油开发成为热点。平台工作水深不断增加，传统海洋平台运动性能和定位方式难以满足要求。固定式平台因自重和造价等因素也不能适应深海环境，所以研发新型的适应深海的浮式海洋平台。分析、设计、制造能适应多种水深、多种工作环境的海洋平台十分必要。近年来国内外学者对平台的设计研究较多，而对平台的结构强度及可靠性分析不够，而且多数研究仅限于简单板、加筋板或固定式平台结构，对平台结构的复杂的节点结构、关键的横撑构件等极限强度研究不够。

本文将利用船体有限元分析方法，根据相关资料采用大型通用有限元软件对平台的整体结构进行有限元模拟，按照结构的实际情况确定有限元网格的规模和单元的类型，建立结构有限元模型。

2 环境载荷

对于工作地点在大海中的海洋石油平台经受的外界环境载荷主要包括风、波浪、海流、冰以及地震海啸等，本文主要考虑风、波浪和海流三大主要环境载荷。

2.1 风载荷

海洋结构物设计过程中，风载荷对稳性、定位系统和局部结构强度等的影响必须考虑。目前工程界对脉动风的描述，一般有稳定部分和变动部分。海工界经常使用的是NPD谱和API谱。

2.2 海流载荷

海流存在于距离海平面的一定深度，因此对于水下构件以及海底构件会产生力的作用，同时影响着平台方位的选择以及船舶靠岸等。

潮汐流和风浪流是海流两种类型，前者是由于天体运动形成的引潮力引起的，后者是由于气象、水文等因素引起的。余流的主要组成部分是风海流。

对于海洋平台所受的风和流载荷，通常是通过风动试验来取得其载荷的大小。

2.3 波浪载荷

海洋结构物在波浪作用下产生的作用效应有：（1）拖曳力作用，这是由于流体不是理想流体而引起的粘滞效应；（2）惯性力作用，这是由于附加质量效应引起的；（3）散射效应，由于入射波受到结构物阻碍引起的；（4）自由表面效应。

结构物界面的特征尺寸和波长是影响波浪载荷对于结构物作用的重要影响因素。当两者之比小于等于0.2时，主要考虑附加质量效应和粘滞效应；当二者之比大于0.2时，主要考虑绕射效应、附加质量效应和粘滞效应。其计算原理也有所不同，Morison方程用于前种情况下的波浪力计算，三维势流理论用于后者波浪力的计算。

根据工作经验以及相应船级社规范规定，最主要关心的平台波浪载荷的六个力。它们分别是：浮箱间平台撕裂力（Split force between pontoons）：FS；纵向剪切力（Longitudinal shear force between the pontoons）：FL；横向水平轴的扭矩（Torsion moment about a transverse horizontal axis）：Mt；甲板位置的纵向加速度（Longitudinal acceleration of deck mass）：aL；甲板位置的横向加速度（Transverse acceleration of deck mass）：aT；甲板位置的垂向加速度（Vertical acceleration of deck mass）：aV。

由于大量的钻井和起重等设备与平台甲板可变载荷集中在甲板箱上，而且甲板上质量的加速度会在甲板箱与立柱，立柱与浮箱之间的剪力以及相应的弯矩，所以甲板箱上质量的惯性力是平臺总体结构强度和局部强度校核的重要载荷之一。

3 算例模型

3.1 平台模型

本文运用有限元分析软件进行建模，模型中运用板单元和梁单元来模拟平台的主要结构。运用Compartment和Equipment单元来模拟平台的压载水，其中部分平台质量以及平台的调平是通过Equipment单元来实现。对平台的水动力进行分析，本算例平台的三维结构模型布置的主要尺寸参数如下：浮箱长90米，浮箱宽15.2米，浮箱高7.6米，双浮箱外板间距71米，主甲板高度36.5米，甲板箱高度30.5米，大立柱直径10.6米，小立柱直径9.7米，工作吃水19.81米，自存吃水15.24米，拖航吃水9米。有限元模型包括面元模型和Morison模型，其中面元模型运用绕射理论来求解，Morison模型是运用Morison方程来求解。由于面元模型与Morison模型在浮箱与横撑部分重叠，为了不影响到模型总的排水体积，并能够正确地运用Morison模型来修正平台的粘性阻尼，把Morison模型尺寸进行了缩小100倍，而拖曳力系数进行相应放大。

3.2 环境模型

自存工况（Ultimate Limit States，ULS）是指平台能够承受的最大环境载荷。对于自存工况环境组合应不少于百年一遇环境条件。根据挪威船级社DNV-OS-C101规范中的规定，自存工况包含下面不同环境条件的组合。

本文根据DNVGL-OS-C103 Structureal design of column stabilised units–LRFD method中的规定，平台的极限强度分析（Ultimate Limit States，ULS）中载荷系数为两种工况组合ULS-a与ULS-b应该进行考虑，其中ULS-a侧重于考虑平台的静载，而ULS-b侧重考虑了平台的环境载荷。

对于结构屈服强度校核时，ULS工况下结构的材料系数取1.15。对于屈曲强度校核与螺栓连接的材料系数以及焊接处的材料系数在ULS工况下，见相关的规范。

进行模拟分析平台运动响应时，半潜式平台与锚泊系统之间的耦合作用也需要进行考虑，这是目前工程界公认的做法。

4 结语及展望

极限载荷校核是根据DNV相关规范执行的。如图可以看出除了热点及有限元引起的局部应力奇异，整体等效应力都在许用应力范围内。高应力区主要集中在月池附近的梁和主甲板上。

图1和图2是从软件中扫描出的最大等效应力。ULS_b的应力结果偏大，故以ULS-b情况为主。

通过对海洋平台极限强度的建模分析，根据计算结果可以看出浮箱结构的等效应力都在许用应力的范围内，除了局部的硬点外平台的总体结构强度能够满足规范要求，针对结构硬点可以再进行细化分析。

文中研究内容与成果对半潜式平台结构设计具有重要参考价值，对工程项目具有很好的指导作用。

参考文献

[1] 周国平.对接国家战略，推进上海海洋工程产业创新发展[J].船舶与海洋工程，2014，（2）.

[2] 鲍莹斌，李润培，顾永宁.张力腿平台系索疲劳可靠性研究[J].上海交通大学学报，2000，24（1）.

[3] 许滨，申仲翰.海洋导管架平台的极限强度分析[J].海洋工程，1994，12（3）.

基金项目：南通航运职业技术学院2015年科技类青年专项课题“基于ANSYS的张力腿平台建模及总体强度分析”（项目编号：HYKJ/2015QN02）。