自升式平台液压插销升降装置不均衡载荷计算及结构强度分析

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(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

自升式平台液压插销升降装置不均衡载荷计算及结构强度分析

何鹏，田崇兴，赵君龙，陈佳俊

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

以某型自升式平台液压插销升降装置为例，利用海工分析软件计算单桩最大水平载荷和弯矩，采用Ansys软件对液压插销升降装置的不均衡载荷进行计算，并基于不均衡载荷对升降装置的定环梁结构强度进行校核，结果满足设计和规范要求。

自升式平台；液压插销升降装置；不均衡载荷；Ansys

目前自升式平台的升降系统主要有液压插销升降系统和齿轮齿条升降系统2种类型[1-3]。因液压插销升降系统具有结构简单、成本低、安全可靠[4]等优点被广泛应用于自升式平台和风电安装船[5]。对于插销升降装置，理论上所受垂向载荷是均衡的，但实际上由于自升式平台长期处在恶劣的海洋环境中，受到风、浪、流等环境载荷的作用[6-8]，最终导致升降装置承受不均衡载荷的作用，特别是在风暴自存等恶劣工况下更为严重。因此，对在承受不均衡载荷的插销升降装置进行结构强度的校核是非常重要的。

以某型自升式平台液压插销升降装置为例，基于该平台及升降装置性能参数和总体计算模型，给出了该平台某一桩腿上固桩架上下导向处最大水平载荷以及下导向处的最大弯矩，并以此作为输入条件，利用有限元分析软件Ansys对升降装置的不均衡载荷进行计算，同时校核升降装置主要结构强度，仿真计算结果满足设计要求。

1 平台及插销升降系统性能参数

某自升式平台为四桩腿型式。

1)平台主尺度。船长85. 8 m，型宽40 m，型深7 m，桩腿长度75 m，桩腿节距1.5 m，桩腿纵向间距49.2 m，桩腿横向间距40 m。

2)风暴自存工况环境参数：风速51.5 m/s；有义波高5.5 m；海流表面速度2.5 kn。

3)作业支持工况环境参数：风速36 m/s；有义波高4 m；海流表面速度2 kn。

该平台液压插销升降装置性能参数见表1。

表1 液压插销升降装置性能参数 kN

根据平台总体性能和环境参数，基于图1和图2计算模型，利用海工软件计算出在风暴自存和作业支持工况下平台各桩腿固桩架上导向和下导向的水平载荷以及下导向处桩腿的弯矩。本为以受水平载荷和弯矩最大的桩腿为算例，并作为升降装置不均衡载荷计算的输入。计算结果见表2。

图1 液压插销式自升式平台总体计算模型

图2 液压插销自升式平台桩腿-升降装置-固桩架局部模型

表2 不同工况下固桩架导向处最大水平载荷和弯矩

2 升降装置结构及载荷传递

液压插销升降装置机械结构通常包括动环梁、插销组件、提升油缸、定环梁、平衡组件等。定环梁通过平衡组件与固桩架(平台)顶部相连，平衡组件起缓冲作用，定环梁与动环梁通过提升油缸相连在一起，插销组件布置在定环梁和动环梁的四周。同时在固桩架的顶部和底部设置桩腿导向结构。见图3。

图3 某型平台液压插销升降装置结构

根据液压插销升降装置结构和运动过程，其载荷传递路径见图4。

图4 液压插销升降装置的载荷传递路径

以上载荷传递路径为串并联混合传递方式，升降系统总体载荷包含全部3个分支。平台总体载荷计算必须要包含液压插销升降装置上下导向块的水平载荷。中间分支的各环节中，取平衡组件的载荷作为外载荷对后续固桩架和动、定环梁进行有限元计算均较方便。

3 升降装置不均载计算

3.1 升降装置有限元模型

根据升降装置各结构的之间的约束关系及受力特点，将结构简化成相应的网格模型，见图5。

图5 固桩架-桩腿-升降装置有限元模型

3.2 边界条件及载荷

通过在网格模型之间施加约束和设置接触条件，模拟桩腿与定环梁、桩腿与固桩架及定环梁与固桩架之间的相互作用。固桩架(围阱)由两部分组成，其中一部分在主甲板面以上，另一部分焊接在船体中。仿真分析时，对于与船体焊接的部分进行固定约束，实际工况中，桩腿与固桩架(围阱)的上下导向处存在10 mm的间隙，仿真分析时，考虑实际情况，将接触条件设置为采用10 mm间隙标准接触，模拟实际的工作状态，见图6。

图6 桩腿与固桩架导向处的接触条件

定环梁与桩腿通过插销接触，固桩架与定环梁通过平衡组件进行连接。在仿真分析中，简化网格模型，将平衡组件用弹簧进行替换，弹簧刚度500 kN/mm，见图7。

图7 刚性弹簧模拟平衡组件

因桩腿受水平载荷的影响，固桩架底部与定环梁之间平衡组件的载荷存在不均衡的情况，为计算出每个平衡组件的实际载荷，通过网格模型进行仿真计算时，将垂向载荷、水平载荷及弯矩施加在桩腿上。

3.3 计算结果

根据表2结果，对计算模型施相应加载荷进行仿真计算，得到风暴和作业工况下升降装置平衡组件处的实际载荷。结果见图8和表3。

图8 平衡组件不均衡载荷计算结果

表3 风暴自存和作业支持工况下平衡组件载荷 N

2种工况下，对应载荷分布见图9。

图9 平衡组件不均衡载荷分布

根据以上仿真分析计算结果可知，平衡组件弹簧合力约为44 135 kN，与总载荷44 145 kN基本一致，2种工况下不均衡载荷分布趋势也是基本一致，说明不均衡载荷计算结果是准确有效的。

4 基于不均衡载荷定环梁强度校核

以3.1的计算结果作为输入，桩腿底部固定约束，表3的不均衡载荷结果施加在定环梁上部8个销轴上，桩腿插销孔与定环梁插销为标准接触，对定环梁在风暴自存和作业支持工况下进行强度校核，综合应力云图见图10。

图10 定环梁综合应力云图

定环梁各部分应力计算结果见表4。

表4 定环梁各部分应力计算结果

按照中国船级社海上移动平台入级规范对于平台结构强度校核的准则[9]，以上2种工况下定环梁结构安全系数取1.11，从表4的结果来看，在不均衡载荷的作用下，定环梁各结构应力值均小于其材料许用应力，整体结构强度满足设计和规范要求。

5 结论

液压插销升降装置结构强度的校核通常是用均匀载荷进行加载，这种分析方法过于简单和理论，特别是当环境载荷作用于圆柱形桩腿时，升降装置结构的载荷不均衡性更明显。通过建立插销升降装置有限元模型，基于固桩架导向处水平载荷和下导向弯矩，计算出了升降装置的平衡组件在风暴和作业支持工况下所受的不均衡载荷，不均衡载荷的合力与总的垂向载荷基本一致，两种工况下不均衡载荷的分布趋势也接近，说明结果是准确有效的，为液压插销升降装置在不均衡载荷作用下进行安全评估提供了一种途径。

[1] 潘斌.海洋自升式移动式平台设计与研究[M].上海：上海交通大学出版社,1995.

[2] 孙景海.自升式平台升降系统研究与设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[3] 罗钢华，杨秀礼，徐军.插销式液压升降系统概述及其组成[J].船舶工程，2016(增刊2):135-138,142.

[4] 黄维学,刘放.自升式海上钻井平台升降系统技术特点分析[J].一重技术，2011(2):1-3.

[5] 赵亚楠，郝军，汪莉，等.自升式风电安装船桩腿及升降系统现状与发展[J].船舶工程,2010,32(1):1-4.

[6] 黎剑波.自升式钻井平台升降装置评估方法研究[J].石油矿场机械，2012(5)：10-13.

[7] 吴小平，陆晟.自升式钻井平台环境载荷及结构强度[J].上海造船，2010(3):36-40,51.

[8] DNV Recommended Practice DNV-RP-C205.Environmental Conditions and Environmental Loads[S].DNV,2007.

[9] 中国船级社.海上移动平台入级规范[S].北京：人民交通出版社，2016.

Imbalance Load Calculation and Structural Strength Analysis for the Hydraulic Yoke and Pin Jacking Mechanism of Self-elevating Platform

HEPeng,TIANChong-xing,ZHAOJun-long,CHENJia-jun

(Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd., Wuhan 430084, China)

The maximum horizontal load and bending moment of one leg was given based on hydraulic yoke and pin jacking mechanism of one type of self-elevating platform. The imbalance load was calculated by ANSYS software to check the structural strength of fixed cross-head, the result met the requirement of design and rules.

self-elevating platform; hydraulic yoke and pin jacking mechanism; imbalance load; Ansys

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0127-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.029

2017-02-28

2017-05-03

工业和信息化部项目(工信部联装[2014]508号)

何鹏(1980—)，男，硕士，工程师

研究方向：平台升降结构设计