Jack—Up中Surge Tank处甲板结构强度有限元分析

2018-02-03杨凯李雪

科技创新与应用 2018年5期

杨凯+李雪

摘要：文章通过对Jack-Up中surge tank处甲板结构的强度校核，根据ABS船级社规范，利用FEMAP有限元软件建模进行有限元分析，得出最大应力与船体横摇及纵摇角度的关系。再通过ABS规范进行屈曲校核。

关键词：甲板结构；强度校核；有限元分析；屈曲校核

中图分类号：U661.43 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0004-03

Abstract： By checking the strength of deck structure at surge tank in Jack-Up， according to the code of ABS classification society， the finite element analysis is carried out by using FEMAP finite element software. The relationship between maximum stress and ship roll and pitch angle is obtained. Then the buckling check was carried out by ABS criterion.

Keywords： deck structure； strength check； finite element analysis； buckling check

伴随人类能源需求的增加，陆地可利用资源逐渐减少。人们已将资源开采的目标转向海洋，石油在海洋中有丰富的储藏量，但大部分都处于深海岩石层以下[1]。当今海洋石油开采设施有钻井平台、钻井船、FPSO等，其中自升式钻井平台Jack-Up为应用最多的海洋平台。海洋工作环境恶劣，风浪联合作用会使工作平台瞬间倾覆，Jack-Up开采石油时，钻头深入海底近万英尺，当天气状况恶劣时，对平台的工作安全要求极高[2]。

从海底抽取的原油含有大量泥沙、碎石等。直接将原油导入储油船运输到陆地，石油公司需对原油进行初过滤[3]。若将该道工序放置在Jack-Up上进行，能极大降低成本，surge tank为散料系统中重晶石分离设备，对原油有初步过滤作用。由于surge tank处于机械甲板，对该处结构强度的研究是保证设备安全工作的第一道防线。当结构发生变形甚至断裂时，会影响设备正常工作甚至倒塌，波及周围设备。

因此本课题来源于工作中研究承载Jack-Up的甲板局部强度校核，surge tank位于机械甲板，由三条支腿支撑，三条支腿甲板下无加强结构。若甲板厚度不够，直接将设备重力作用于支腿处，容易引起甲板发生较大的变形，导致甲板纵骨强度不足甚至断裂。考虑到Jack-Up平台自身重量的严格控制，尽量不增加甲板厚度，所以需要根据支腿处甲板架构做加强，分析强度是否满足规范要求[4]。

本次研究Jack-Up中承受surge tank处甲板结构强度，该处结构由甲板及纵骨组成，由于surge tank工作重量达9吨以上，再加上工作时平台有横摇与纵摇加速度，若设计不当，该处结构极易发生过大变形而导致结构断裂。因此，基于surge tank所在的甲板位置，根据ABS规范初步确定甲板结构的厚度，利用FEMAP软件采用有限元方法分析该处结构强度是否满足要求，再基于计算结果对结构进行屈曲校核。

1 创建有限元模型

由于surge tank设备在封闭舱室空间甲板平台，根据ABS STEEL VESSELS 2014 PART 3 HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT CHAPTER 2 Hull Structures and Arrangements Section 3 Decks可知甲板厚度按公式（1）确定：

式中：t为板厚，单位mm；K=0.00394；a=1.5，单位mm； h=设备所在甲板距基线高度，单位m；Sb=甲板梁间距，单位mm。

由于surge tank设备所在甲板距基线的距离为1828.8mm，所以公式（1）的h=1.828；該处甲板是纵骨架式结构，纵骨间距为609.6mm，所以公式（1）的Sb=609.6。根据公式（1）可知，承受surge tank甲板的计算板厚为t=4.747mm，由于t不小于5mm，所以初步设计的甲板厚度t=5mm。

根据ABS MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS PART 3 HULL CONSTRUCTION AND EQUIPMENT CHAPTER 2 Hull Structures and Arrangements Section 3 Self-elevating Drilling Units可知，Jack-Up桩腿结构要满足单幅10秒周期横摇或纵摇15°产生的弯矩，在本研究中确定以下五种工况进行分析。

工况1.只考虑结构的自身重力

工况2.除结构自身重力外，还考虑向左舷单幅横摇θ=15°，10秒周期

工况3.除结构自身重力外，还考虑向右舷单幅横摇θ=15°，10秒周期

工况4.除结构自身重力外，还考虑向艏部单幅纵摇θ=15°，10秒周期

工况5.除结构自身重力外，还考虑向艉部单幅纵摇θ=15°，10秒周期

横摇，纵摇加速度计算公式如式（2）和式（3）所示：

式中，X，Y，Z为设备重心与船舶浮心相对位置，θ为横摇或纵摇的角度，g为重力加速度，T为周期。

在几何模型剖分之前，要确定单元类型。

梁单元：模拟高度较小骨材，面板，像甲板纵骨、肋板加强筋、舱壁骨架等，不仅承受拉压应力作用，还承担弯曲应力作用。endprint

杆单元：模拟板材构件上的加强筋，只承受拉压应力的作用。

板壳单元：多用于船体外板、各层甲板、强横梁、纵横舱壁、肋板、肘板、舱口围板、生活区等。板壳单元大多采用四边形单元，也有部分采用三角形单元。

有限元模型如图1所示。

2 分析结果

根据ABS规范所规定的板材结构的结构强度要小于安全应力的要求，将有限元数值模拟的米塞斯等效应力的结果与安全应力相比较来判断结构强度是否满足要求。

米塞斯等效应力的确定如公式（4）所示：

式中：sx为板材在X方向的计算应力值；sy为板材在Y方向的计算应力值；txy为板材计算的剪力值。

安全应力[σ]的确定如公式（5）所示：

式中，sy为材料的屈服应力；FS为安全系数，FS=1.43（对于静态载荷），FS=1.11（对于联合载荷）

根据有限元数值模拟得到的不同工况下不同横摇或纵摇角度对应的计算结果，建立了最大等效应力与横摇或纵摇角度之间的对应关系，如图2所示。从图中可以看出，任意工况下甲板结构的最大等效应力与横摇、纵摇角度呈线性增加的关系。不存在随着摇晃角度的增加结构的最大等效应力急剧增加的情况，这样在加强甲板结构时不需要考虑载荷因素的影响，不需要确定摇晃角度的临界点，只需要针对最大的横摇或纵摇角进行分析即可。

由于增加甲板厚度是加强结构的最简便方法之一，因此在本研究中分析了不同板厚下甲板结构最大等效应力的变化情况。在这部分工作中，甲板厚度由初始设计的5mm一直增加到27mm，基于不同板厚的甲板结构有限元结果，建立了最大等效應力与甲板厚度之间的对应关系。通过分析得出不同工况下改变甲板厚度与最大应力值关系如图3所示。从图中可以看出：最大等效应力随甲板厚度的增加逐渐减小，当甲板厚度由5mm增加至15mm时，最大等效应力迅速下降，当甲板厚度大于15mm时，最大应力下降平缓。通过分析得出采取增加甲板厚度降低最大应力方式时，最多增加15mm效果明显。

3 屈曲校核

本研究中根据ABS规范：BUCKLING AND ULTIMATE STRENGTH ASSEMENT FOR OFFSHORE STRUCTURES （LRFD VERSION）-SECTION 2 Individual Structure Members-9 Local Buckling-9.3 Non-tubular Members Subjected to Compression and Bending Moment来进行结构屈曲强度的评估。

具有轧制或装配板截面的构件的临界局部屈曲，可以作为包括该截面的板部件的最低局部屈曲应力。该构件的局部屈曲应力是从以下方程得到的，相对于单轴压缩和面内弯曲力矩。

Pr=结构的比例线性弹性极限，钢的可作为0.6

σo=规定的最小屈服点，N/mm2普通钢取235

σEx=弹性屈曲应力，N/mm2

E=弹性模量，2.06×105N/mm2

v=泊松比，钢的可作为0.3

s=非支撑板组件的深度mm 甲板下角钢面板宽度90

t=板组件的厚度 mm 甲板厚度7.9

ks=屈曲系数，如表1所示。一致压力边缘固定形式，取1.33

经计算σEx=686.1628，Prσo=141 σEx>Prσo

所以

工况5最大应力137.5<σCx