自升式多功能作业支持平台船体结构分析

黄海华，徐 胜

（深圳市惠尔凯博海洋工程有限公司, 深圳 518067）

1 前言

自升式多功能作业支持平台属于海上移动平台，由于其定位精度高和作业状态稳定，在大陆架的油气田支持作业中起到重要的作用。自升式作业支持平台的数量占海上移动平台数量的2/3以上，平台结构强度分析是平台设计的主要内容之一，其中正常作业工况和风暴自存工况是平台作业的最基本工况。

自升式多功能作业支持平台的主要结构由主船体和活动桩腿两部分组成。平台系统主要包括：压载系统﹑舱底水系统﹑冲桩系统﹑冷却系统﹑压缩空气系统﹑疏排系统﹑柴油系统﹑海水系统﹑淡水系统﹑冷却系统﹑饮用水及净化系统﹑燃油净化及供给系统﹑滑油系统﹑空调通风系统﹑冷藏系统﹑消防系统﹑电气系统﹑生活污水系统﹑舱内液位监测系统﹑液压系统﹑通讯系统及监控报警系统等，可以提供海上平台进行钻修井作业支持﹑甲板支持﹑海上吊装支持﹑海上生活支持等多功能作业支持，在油气田开发中展示其在安全性﹑可靠性﹑经济性﹑适用性等方面突出的优势，国际市场对其需求量不断增加。

本文以惠尔海工自主研发的自航自升式多功能作业支持平台SE300LB为例，阐述采用有限元分析方法，基于ABS海上移动平台建造及入级规范，考虑平台工作载荷﹑风﹑浪﹑流等环境载荷，应用MSC.Patran/Nastran软件对平台的船体结构进行强度评估。

2 平台结构与模型

该平台为方形主船体，总长84.5 m﹑型长64.8 m﹑型宽40.8 m﹑型深6.0 m﹑满载吃水3.2 m。配备四根圆柱形桩腿，桩腿直径为3.3 m﹑长度为90 m；每个桩腿由下端的长方形桩靴支撑，桩靴尺寸11.8x6.8x1.8 m3；桩腿入泥深度为3 m；平台主甲板分为生活区和甲板作业区，生活区按照150人设计，甲板面积为1 500 m2，最大可变载荷为1 800 t；设置1台主吊机和1台辅吊机，主吊机吊重能力为190 t﹑辅吊机吊重能力为20 t，可以满足平台的功能要求。

自升式平台由于作业环境的特殊性，平台受到各种复杂的环境载荷，需要利用有限元软件对平台结构建立有限元模型，分析平台在各种载荷作用下，船体结构和桩腿结构的安全性。

在平台强度分析中，首先建立平台结构的力学模型，使计算模型能够模拟出实际的工作状态；确定平台结构所受到的各种作业工况的载荷；然后对平台在操作和风暴自存工况下的结构安全性进行有限元分析，这是研究平台结构强度非常有效的方法。在使用有限元软件对平台进行建模时，需对平台有限元模型作一些合理的假定。

有限元软件建模主要采用了梁单元和板壳单元：梁单元用于模拟桩腿﹑强横梁﹑底肋板﹑纵桁﹑舱壁垂直和水平扶强材等强力构件；板壳单元用于模拟主甲板﹑直升机甲板﹑生活楼﹑底板﹑船体外围板以及舱壁板等结构。

本平台有限元模型中，坐标系是采用船体尾部基线中心与底层甲板平面交点为坐标原点，以平台的纵向即由尾部往首部方向为X轴正方向﹑由右舷往左舷方向为Y轴正方向﹑往上层甲板方向为Z轴正方向；模型中共有约396 000个单元（包括梁单元和板单元）﹑268 000个节点；桩腿在泥面下3 m处约束为边界条件(1,1,1,0,0,0)；钢材密度为7 850 kg/m3﹑弹性模量 E=2.06 x 1 011 Pa﹑泊松比λ=0.3。

根据工况要求，建立有限元模型如图1﹑图2所示。

图1 操作工况模型

图2 风暴自存工况模型

3 作业环境参数

作业水深：30 m

环境温度：-10 ℃ ～ 50 ℃

海水温度：32 ℃

表1为平台在30 m作业水深下最大的环境条件：

表1 作业环境参数

4 载荷计算

4.1 平台固定载荷

4.2 平台可变载荷

平台可变载荷主要包括：液舱的装载和甲板载荷；作业期间需移动或消耗的物品，其中液舱的载荷（包括压载水﹑淡水﹑燃油﹑海水等）通过相应的舱室施加压力载荷实现；上甲板负荷设计为5 t/m2（均布在上甲板面上）；平台最大可变载荷设计为1 800 t。

4.3 环境载荷

环境载荷主要考虑风载荷﹑波浪载荷﹑海流载荷等。在施加环境载荷时，假定风载荷﹑波浪载荷﹑海流载荷的作用方向一致，考虑几个典型环境载荷的作用角度。本平台结构基本左右对称，因此在分析模型中仅考虑平台一侧的环境载荷作用角度，分别按照下列7个方向加载：0 °﹑30 °，60 °﹑90 °﹑120 °﹑150 °和 180 °。

（1）风载荷

根据ABS自升式移动平台建造及入级规范，风载荷按下列公式计算：

式中：Vk — 设计风速；

Ch—高度系数；

Cs —形状系数；

D —杆件直径；

L —桩腿长度（按照高度分段计算）。

施加到主船体﹑生活楼﹑升桩装置﹑桩腿结构的风载荷，按风压直接作用在结构表面上计算。

（2）波流载荷

作用在结构上的波流载荷，根据结构尺寸的大小分别采用两种不同的理论计算，即Morison方程和线性绕射/辐射理论进行计算。本平台桩腿属于小尺度圆形构件（D/L≤0.2），波流载荷采用Morison公式计算：

式中：ρ — 海水密度，kg /m3；

CD— 垂直于构件轴线的曳力系数；

CM— 惯性力系统；

D — 圆形构件直径，m;

L — 设计波的波长，m；

μ — 垂直于构件轴线的水质点相对于构件的速度分量；m/s；

du/dt — 垂直于构件轴线的水质点加速度分量。

4.4 载荷基本工况和组合工况

见表2。

表2 载荷基本工况和组合工况

5 计算结果

5.1 位移计算结果

见表3。

表3 操作及自存工况的最大位移

5.2 桩腿支反力计算结果

见表4。

表4 操作工况及自存工况的桩端支反力

5.3 应力计算结果

（1）根据ABS MODU规范[1]，结构强度许用应力：

式中：Fy — 材料屈服强度，Fy = 355 MPa；

F.S. — 安全系数。静载工况F.S.=1.43，组合工况F.S.=1.11。

（2）Von Mises等效应力：

式中：σx — 单元x方向的应力；

σy — 单元y方向的应力；

τxy — 单元xy平面的剪应力；

表5为平台船体结构在操作工况和风暴自存工况下各个方向的最大Von Mises等效应力值。

环境载荷方向 0o o o o o o o 30 60 90 120 150 180操作工况最大值（MPa）Von Mises等效应力 214.4 216.9 206.4 205.9 210.5 189.5 182.2许用应力 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8应力比值 0.67 0.68 0.65 0.64 0.66 0.59 0.57风暴自存工况最大值（MPa）Von Mises等效应力 257.3 276.5 289.8 280.1 305.1 314.3 272.2许用应力 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8 319.8应力比值 0.80 0.86 0.91 0.88 0.95 0.98 0.85

结构的强度评估可用应力比值来衡量，应力比值是指实际应力和许用应力的比值，因此比值大于1.0的结构其应力超出许用标准。从表5计算结果可知，最大的应力发生在平台风暴自存工况为314.3 MPa，应力比值为0.98，表明平台船体结构在30 m作业水深的操作工况和风暴自存工况下，都能满足相关规范强度要求。

6 结论

本文通过对自升式多功能作业支持平台的结构强度的分析，应用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件建立模型来计算平台结构强度，是一种非常有效的方法。分析软件可以模拟计算出平台在各种作业环境中的位移﹑桩端支反力以及结构应力等，能在满足平台可靠性和安全性的基础上优化平台结构，使平台结构强度达到最大的经济性，节省建造成本。