海上平台桩架结构稳定性数值分析

2022-03-01李硕德唐文献

装备制造技术 2022年12期

张雷，张辉，李硕德，唐文献

（1.招商局重工（江苏）有限公司，江苏海门 226116；2.江苏科技大学，江苏镇江 212114）

0 引言

随着国家对海洋开发的战略布局，海上工程项目陡然增加，使在海上施工的钻井平台、大型打桩平台、风电安装平台等迎来飞速的发展，桩架系统作为打桩船的重要组成部分，前景十分广阔。

海上作业时，平台桩架会受船体运动、风向、自身摆动等因素的影响，在分析过程中充分考虑到这些因素，同时桩架的结构设计复杂，工况和载荷种类多样，桩架良好的结构强度及稳定性确保满足设计要求，完成打桩船工作。宋书提出一种简化船舶桁架式结构计算方法，采用有限元计算方法计算校核打桩船桩架在海上作业和拖航工况时的强度和稳定性[1]。随着研究的深入，研究人员发现不同高度的桩架符合不同的海上作业的要求。唐军研究了93 m 打桩船桩架的起立工况分析[2]，张鹏万研究了93.5 m 打桩船设计研究[3]和庄科挺研究了95 m 打桩船改造桩架结构强度计算[4]。许多研究人员对打桩船桩架稳定性展开有限元数值分析，结果表明其具有较好的结构强度[5-9]。此外，预测桩架结构的疲劳可以防止桩架在有效寿命寿命预期内报废，从而造成恶性事故。聂娅青等研究人员对桩架结构的进行疲劳分析，结果表明所数值分析的桩架架构均符合使用要求[10-13]。

针对打桩船桩架设计的重要性，采用Abaqus 和Hyperlife 分别对海上打桩船桩架的强度和稳定性，并对其疲劳特性分析。

1 设计与建模

1.1 桩架结构设计与建模

桩架是打桩船桩架系统的主要组成部分，合理的结构设计不仅有利于提高打桩船的工作性能，还有利于保障海上工作人员的作业安全。打桩船桩架以主弦杆为主要构件，主弦杆之间利用撑杆连接，改变撑杆的分布和数量可以适当的改善桩架的性能。结合桩架在海上所受的实际工况及性能需求，研究打桩船桩架的主要结构类型，设计的Z 型打桩船桩架结构，如图1 所示。

图1 Z 型桩架结构

影响图1 所示的Z 型桩架结构稳性的因素有主弦杆和撑杆等主要构件。桩架主弦杆的主要结构要素有弦杆间距（即布置的位置要素）及弦杆尺寸参数，桩架撑杆包括水平撑杆和斜撑杆。本设计的打桩船桩架的主要结构参数，如表1 所示。

表1 桩架的结构参数

依据表1 中桩架的结构参数，在SolidWorks 软件中分别建立其主要构件的几何模型，并通过装配形成桩架的整体三维模型，其中，桩架铰接于船体的固定支座上，如图2 所示。

图2 Z 字型桩架结构建模

1.2 有限元仿真建模

桩架同船体的连接处为桩架后弦杆上的后支脚和桩架前斜撑杆上2 个前支脚，当桩架处于工作状态时，桩架支座处与船体处于刚性固定，在有限元处理过程中桩架上这3 个地方可以模拟为与船体刚性固定端，设置为边界条件。

经过综合分析8 种工况下的打桩船桩架，结果见表2。海上打桩船的桩架的工作条件为：20 m/s 的风速且风压低于250 Pa，船舶横向倾斜5°和纵向倾斜2°，外界温度在-10～ 40 ℃，起升速度为0.057 m/s，起重机质量为100 t，桩架质量为1500 t 和桩基质量为380 t。

表2 桩架工况分析

2 稳定性分析

2.1 强度分析

因拖航工况3 和4 受影响较小，不予考虑。经过对6 种工况下桩架强度分析可知，桩架所受应力在前弦杆的中下端，与桩架后支脚在同一水平面。最大应力集中在桩架的主弦杆，水平撑杆相对顶端及大平台处而言，受力同样比较明显，而桩架的顶端及大平台处应力分布相对较小。6 种工况下的最大应力分布在321.3～ 327.4 MPa，最小应力发生在工况7，最大应力发生在工况5，如图3 所示。

图3 Z 型桩架最大最小工况下应力云图

图4 为工况3 和工况4 的Z 型桩架应力云图，桩架所受应力由前弦杆转移到后弦杆，且应力分布在桩架后支脚上方，桩架下段的受力情况相对图3 相对减少。最大应力数值为264.3 MPa。

图4 工况3 和工况4 的Z 型桩架应力云图

根据《船舶与海上设施起重设备规范》，计算桩架结构许用应力为398.27 MPa，由此可以得出桩架所受载荷组合的最大应力均小于许用应力，强度满足要求。

考虑到桩架受风载以及自重的作用，桩架的弦杆和撑杆一起受压力和弯曲作用，对桩架结构进行稳定性校核的结果如表3 所示。

表3 桩架结构稳定性校核

表3 中8 种工况的稳定性均远小于稳定性许用应力，满足稳定性要求。

2.2 疲劳特性分析

图5 为Z 型桩架工况1 的疲劳特性云图。图5（a）为正常载荷下桩架的破坏为0，桩架的寿命为1.2 ×1020，可以等效为无限寿命。图5（b）为当载荷增大一倍时，其最大疲劳破坏为4.113 × 10-3，其疲劳寿命最小为2.431 × 102，桩架部分较为稳定，龙口的下端附近最先被破坏，对桩架进行设计时应对此处结构参数进行加强。剩余7 种工况的Z 型桩架的疲劳特性见表4。