大型浮式平台结构强度

文 艳， 张云峰， 崔桂媛， 王 超

(1.上海外高桥造船有限公司， 上海200137； 2.上海外高桥造船海洋工程有限公司， 上海200137)

0 引 言

我国海岸线绵长，领海广阔，海洋资源丰富。大型浮式平台可作为海洋资源开采过程中的中转站，为其提供安全支持。大型浮式平台需长期在海中作业，其在波浪载荷作用下的结构强度往往是设计者最关心的部分。

大型浮体往往由很多模块通过连接器进行连接，单个模块在尺度上类似于半潜平台或大型集装箱船。国内外很多学者对类似于大型浮式平台的大型浮体在波浪载荷作用下的结构强度进行了相关研究：杨鹏等[1]研究超大型浮体单模块在危险载荷工况下的结构强度，曹剑锋等[2]使用ANSYS/AQWA对浮体进行水动力响应和结构强度分析，张勇[3]分析浮式结构物在波浪中的随机振动，李良碧等[4]基于直接强度计算方法对浮式结构物单模块强度进行分析。另外，还有很多学者对大型浮体的水弹性响应问题进行了相关研究，文献[5-7]从理论和计算角度对大型浮体的水弹性响应问题进行分析。

图1 防浪围圈型大型浮式平台

本文基于直接强度计算方法，采用法国船级社(BV)开发的Homer软件，对防浪围圈型大型浮式平台单模块进行分析，计算其在典型海况下的结构强度问题。

1 计算模型

防浪围圈型大型浮式平台如图1所示，整个平台由6个梯形单模块组成，模块之间使用连接器连接。平台主尺度如表1所示。

表1 防浪围圈型大型浮式平台主尺度

使用Homer软件选取整个平台的单模块进行分析，此时需建立水动力模型、湿表面模型和有限元结构模型，3种模型如图2所示。

图2 平台单模块模型

图3 边界条件示例

1.1 边界条件

目前国内仍然缺乏类似平台的设计规范，本文选取中国船级社(CCS)的《钢质海船入级规范》(2015版)规定的边界条件进行设置。在结构强度计算过程中需消除刚体位移，本文选用3个约束点消除刚体位移。本平台单模块不像船舶具有关于中纵剖面的对称特性，因此选取在艉部第一道横舱壁两端以及在艏部第一道横舱壁中心位置设置约束点，约束点1约束x、z两个方向的线位移，约束点2约束y、z两个方向的线位移，约束点3约束y、z两个方向的线位移。边界条件如图3所示。

1.2 计算工况

防浪围圈型大型浮式平台应用海域是南海中北部潟湖内和南海南部无台风区，该海域为开放海域，区域水深在30～50 m，平均水深约40 m。根据《钢质海船入级规范》(2015版)规定，浪向不少于7个，取0°～180°，间隔为30°。波浪频率为0.2～1.5 rad/s，间隔为0.05 rad/s。根据《大型浮式平台环境载荷设计基础》选择作业工况和自存工况作为设计工况，两种工况的参数如表2所示。

选用平台单模块中横剖面的总纵弯矩作为载荷控制参数,船体中部剖面总纵弯矩的时域历程曲线如图4和图5所示。

表2 平台单模块有限元直接计算工况

图4 作业工况下船体中部剖面总纵弯矩时域历程曲线 图5 自存工况下船体中部剖面总纵弯矩时域历程曲线

2 计算结果

选取作业工况和自存工况下截面11总纵弯矩的最大值，各个弯矩最大值如表3所示。

两种典型工况的变形如图6和图7所示，可以看出，最大变形位置发生在平台底板处，但作业工况下主要是整体变形，自存工况的板格变形较为明显。

表3 各个工况最大弯矩

图6 作业工况下结构变形 图7 自存工况下结构变形

两种典型工况的结构应力如图8和图9所示，不难发现，作业工况下高应力区域主要集中在甲板板格处，而自存工况下高应力区域主要集中在靠近舱壁处。

图8 作业工况下结构应力云图 图9 自存工况下结构应力云图

3 结 论

根据《大型浮式平台环境载荷设计基础》选择作业工况和自存工况为设计工况，采用法国船级社(BV)开发的Homer软件进行计算，对比两种工况的计算结果可以得出以下结论，对防浪围圈型平台结构设计具有指导意义。

(1) 防浪围圈型大型浮式平台单模块随着波浪载荷变化，其结构的最大变形和最大应力并不集中在一处。

(2) 随波浪载荷的增大，结构高应力区域逐渐向舱壁与甲板连接处移动，应关注该处的强度问题。

(3) 由于结构没有关于中纵剖面的对称性，在右舷下方设置有多道横舱壁，但左舷横舱壁较少，导致应力向右舷集中，在实际建造过程中应适当补强。