无横撑六立柱半潜平台总强度研究

林 瞳，王 璞，王 醍，徐 贺

（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011）

0 引 言

近年来，随着海洋资源开发逐步从近海走向深海，半潜平台因具有良好的运动性能和宽阔的作业甲板，在油气钻井、生产和支持等领域得到了很多应用，在起重、拆解和采矿等方面有了很多应用尝试。在此情况下，半潜平台结构研究面临的挑战逐渐增大。传统半潜平台的横撑结构对其总强度和极限强度都有着很大贡献，但横撑的存在不仅会在一定程度上限制半潜平台中间月池区域内的作业功能，而且会对动力定位载荷和其他总体性能产生一定的影响。同时，六立柱半潜平台在提高大尺度半潜平台主船体中部刚度、增加作业状态下的水线面面积和减小迁移阻力等方面的性能都明显优于四立柱半潜平台。

近年来，六立柱型式和无横撑式等类型的半潜平台因具有结构稳定性好、功能适应性强等优点而得到了大型功能性半潜平台设计者的青睐。目前国内对这些型式的半潜平台已有一定的研究。曹义军等［1］对一种非对称无横撑半潜平台的整体强度进行评估，分析了该平台与传统半潜平台的差异，通过全船整体强度分析计算，得到了该平台有别于传统半潜平台的应力分布特点，指出了在浮筒与甲板之间采用大倒角设计有助于提高半潜平台的整体强度。张坤等［2］对非对称无横撑半潜式起重平台下水时的强度进行了评估，针对2 种下水方案进行了有限元模拟和评估，为后续半潜式起重平台结构下水方案设计提供参考。

半潜平台的立柱与横撑、立柱与上船体连接结构无论是在屈服强度方面，还是在疲劳强度方面，都有很重要的作用，此处的应力情况往往是半潜平台总强度计算的主控因素。为降低因取消横撑结构而对半潜平台总强度的影响，现有的无横撑式半潜平台主要采用整体放大立柱与主船体端部连接的方式提高此处的结构强度，见图1。文献［1］中所述立柱结构通过大倒角设计与主船体相连，可在一定程度上缓解此处应力集中的情况，但对船厂施工工艺提出了很高的要求。本文在此设计的基础上对目标平台进行优化，采用多段拼接的形式完成立柱与主船体的连接和过渡，并在多段拼接中考虑立柱区域的圆转方等线型变化。目标平台立柱与主船体连接区域结构图见图2。

图1 现有无横撑式半潜平台实船

图2 目标平台立柱与主船体连接区域结构图

半潜平台总强度计算工况主要包括总纵弯曲工况、横开横关工况、纵剪工况和纵扭工况，其中总纵弯曲工况基本上是航行状态下的主控工况，该状态下平台的水线面在下浮体上，载荷情况与下浮体的尺度有关，与平台有无横撑的关系较小。因此，相对来说，无横撑式半潜平台主要关注的是横开横关工况（横浪状态）及纵剪和纵扭工况（斜浪状态）。

在横浪载荷作用下，当波长约等于半潜平台两侧下浮体之间距离的2 倍时，波峰恰好位于舯部，此时平台下浮体的分离力达到最大值，即横开状态；同理，当波谷恰好位于舯部时，半潜平台下浮体的挤压力达到最大值，即横关状态［3］。

纵剪和纵扭载荷均出现在斜浪状态下，且二者是相伴相生的。在斜浪载荷作用下，当波长约等于平台2个下浮体对角线长的1.5 倍且波谷位于对角线上时，平台下浮体间的纵向剪切力达到最大值，即最大纵剪状态；当波长等于平台2 个下浮体对角线长且波谷在对角线中心时，横轴的扭矩达到最大值，即最大纵扭状态。在设计波计算中，需对2 种载荷模式下的设计波分别进行计算。

在半潜平台总强度研究中，需先确定主要分析工况，对目标平台的波浪载荷进行计算，确定其在主要分析工况下的设计波参数。利用有限元模型化技术对目标平台有限元模型进行合理的简化和模拟，注意对重点关注区域进行细化处理［4］。根据装载信息对半潜平台有限元模型的重量分布进行调整，确定合理的边界条件，对有限元模型进行加载和分析，得到目标平台在相应设计波参数下的应力分布情况，并将其与规范衡准相比较，判断平台的总强度是否满足要求，进而确定平台总强度分析关键区域。

1 目标半潜平台主尺度

目标无横撑式半潜平台是针对深海采矿相关作业设计的，具有对深海多种矿物进行采集、输送和处理等功能。该平台集航行、作业、居住和支持等功能于一体，具有航程远、运动性能好、作业水深大、作业周期长、系统复杂和集成度高等特点。目标半潜平台主尺度参数见表1。

表1 目标平台主尺度参数

2 设计波的确定

本文以自存状态为例，对目标半潜平台的波浪载荷情况进行直接计算。生存工况下作业海域的环境条件为百年一遇，自存状态下的主要环境参数：有义波高Hs＝14.9 m；跨零周期Tz＝18.07 s。

在采用三维水动力理论进行水动力分析时，需对平台湿表面进行网格划分。网格形式可根据需要采用三角形单元或四边形单元，并确保单元的尺度小于水动力分析中最小波长的1／4。在不牺牲计算效率的情况下，应适当对线型变化剧烈的位置和水线位置的单元尺度予以细化，并保证水面以下沿垂向至少有3 ～4 个网格，以保证整个湿表面模型能准确表征平台的静水力特性和水动力特性［5-6］。

在波浪剪力和弯矩传递函数计算中，波浪周期范围取5 ～25 s，间隔0.5 s。浪向角取0° ～180°，间隔15°，通过短期预报确定设计波参数。目标平台在自存状态下的设计波参数见表2。横向分离力、纵向扭矩和纵向剪切力RAO曲线分别见图3 ～图5。

表2 目标平台在自存状态下的设计波参数

图3 横向分离力RAO曲线

图4 纵向扭矩RAO曲线

图5 纵向剪切力RAO曲线

经比较，该设计波参数和载荷与同尺度的四立柱半潜平台相当。

3 目标平台总强度分析

3.1 半潜平台模型化分析技术

在总强度分析中，需确定湿表面模型、结构模型和质量模型。结构模型的范围为整个平台；对于对总强度贡献较大的结构（如上船体的主要舱壁等），如实进行反映；对于某些局部结构（次要舱室围壁等），因其不参与总强度，可按需对其进行简化或等效。

质量模型是根据半潜平台相应的装载工况建立的。平台质量分成结构质量、设备质量和液舱压载等3部分。对于结构质量差量（如肘板和焊材质量等），通过对各部分结构的钢料密度进行调整予以补偿。对于设备质量，就大型设备而言，应尽量表达出其实际质量分布，确保设备的质量和重心与实际相符，并使其各方向上的惯性矩相近。

3.2 半潜平台总强度计算考虑的主要载荷

半潜平台总强度计算主要考虑的载荷有重力载荷、静水载荷、水动力载荷、井架载荷、试验设备载荷、液货载荷和风载荷等。主要设备载荷需以质量点或附加载荷的形式施加在主船体上。水动力载荷采用波浪载荷直接计算的方式施加到主船体湿表面处。液货载荷仅考虑静载，暂且忽略舱室动载荷的影响。

3.3 边界条件设置

在实际情况下，平台所受重力、浮力和波浪力是保持平衡的，并没有边界约束存在。但是，为消除平台整体结构的刚体位移，必须在模型中施加一定的位移边界条件。根据平台的实际情况，位移边界条件选择弹性固定或刚性固定。一般选取结构强度较大且远离结构强度评估区域的3 个不共线的节点，在每个节点施加的位移边界条件是3 个垂向约束（Z）、2 个横向水平约束（Y）、1 个纵向水平约束（X）。根据上述原则，将边界条件设置于下浮体下端。在实际计算中，需在计算之后校核其支反力结果，只有支反力结果趋近于零，才表明计算结果正确可靠。

3.4 半潜平台总强度分析衡准

目前美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）关于半潜平台结构强度分析的衡准广泛应用于半潜平台结构总强度分析中，该衡准要求目前元等效应力（von Mises stresses）不得超过许用应力F。F的表达式为

式（1）中：Fy为规定的最小屈服强度；F.S.为不同载荷组合的安全系数。

规范规定：对于静水工况，安全系数F.S.取1.43；对于组合工况，安全系数F.S.取1.11。

3.5 分析结果

通过计算可知，六立柱无横撑式半潜平台总强度计算中的高应力区域为立柱与主船体连接区域和立柱与下浮体连接区域。中间立柱横向端部放大到月池侧板区域对月池区域的结构强度是十分有利的，可大大缓解此处的应力集中情况。尤其对于需在月池区域放置大型勘探和作业设备的半潜平台而言，该设计形式值得推荐。立柱与下浮体连接处和立柱与主船体连接处最大应力出现在横向分离力工况下。不同工况下平台的安全系数和各区域的许用应力见表3，其中平台主要部分的应力最大值均出现在立柱与主船体／下浮体连接区域，且首尾两端立柱连接区域结构的应力值显著高于中间立柱连接区域结构的应力值，目标平台结构应力情况良好，均在许用范围内。表4 为不同工况下平台主体结构应力水平总结。

表4 不同工况下平台主体结构应力水平总结

4 四立柱半潜平台与六立柱半潜平台结构总强度对比

半潜平台结构在作业工况和风暴自存工况下的水线面基本上在立柱区域。与普通船型相比，半潜平台的水线面相对较小，对结构重量相对敏感。在静水载荷方面，六立柱半潜平台的结构重量略高于四立柱半潜平台，但当水线面在立柱区域时，设置六立柱能适当降低吃水对主船体重量变化的敏感度，适当减小平台整体吃水。在水动力载荷方面，除了下浮体区域以外，六立柱半潜平台能适当降低两侧立柱水动力载荷的作用面积，增大中部立柱区域水动力载荷的作用面积。为探究2 种立柱形式的差异，在模型中删除目标平台中间立柱结构，其他区域结构重量保持不变，另外进行计算，并对2 种立柱的波浪载荷、结构应力和变形情况进行计算分析，结果见表5。

表5 四立柱半潜平台与六立柱半潜平台的波浪载荷、结构应力和变形情况对比

由表5 可知：

1）对于横向分离力工况，作用载荷浪向为横浪，由于六立柱半潜平台的排水体积大于四立柱半潜平台，即其受到水动力作用的湿表面面积略大于四立柱半潜平台，因此在横向分离力工况下，无论是RAO还是载荷最大响应值，六立柱半潜平台均略高于四立柱半潜平台。由于四立柱半潜平台在立柱处的吃水大于六立柱半潜平台，因此其在首尾立柱处的横向分离力大于六立柱半潜平台，在横向分离力工况下，六立柱半潜平台首尾两端立柱与主船体连接区域的应力值略低于四立柱半潜平台立柱与主船体连接区域的应力值，六立柱半潜平台在立柱与主船体连接区域的结构强度优于四立柱半潜平台。同时，中间立柱在横向分离力工况下对主船体中部提供有利的支撑，大大降低了主甲板中间区域的变形情况。

2）对于纵剪工况，作用载荷浪向为斜浪，当波长为下浮体对角线长的1.5 倍时最大。对于六立柱半潜平台，此时中间立柱纵向水平波浪力的方向正好与下浮体两端纵向水平波浪力的方向相反，因此中间立柱的存在一定程度上降低了下浮体两端的纵向水平波浪力（由于整体吃水减小），增大了下浮体中部反向水平波浪力，整体上减小了纵向剪切力。从纵剪工况下的RAO值中也可看出，六立柱半潜平台的RAO值略小于四立柱半潜平台，且吃水在立柱区域越大，这种现象越明显。但是，由于本文的计算工况为作业自存工况，立柱区域吃水很小，加上六立柱半潜平台的湿表面总面积较大，且受作业自存海况限制，四立柱半潜平台与六立柱半潜平台在纵剪工况下的最大响应值整体上基本相当，且六立柱半潜平台略高。

从纵剪工况下的平台结构应力云图中可看出，在立柱与主船体连接区域，六立柱半潜平台的结构最大应力约为四立柱半潜平台的0.75 倍，且六立柱半潜平台中部区域主甲板变形仅为四立柱半潜平台的0.2 倍，中间立柱的存在大大降低了纵剪工况下主甲板的变形，整体刚度明显好于四立柱半潜平台，应力分布更加均匀。

3）对于纵扭工况，六立柱半潜平台无论是在RAO方面，还是在最大载荷响应方面，都高于四立柱半潜平台，但其立柱与主船体连接区域的最大结构应力仅为四立柱半潜平台的0.69 倍，且与纵剪工况类似，此时其主船体中间区域的垂向变形仅为四立柱半潜平台的0.15 倍。这说明在斜浪状态下，对于大尺度半潜平台而言，合理设置中间立柱能有效控制主船体的变形，使平台的应力分布更加均匀，更有利于保证结构强度满足要求。

另外，大尺度半潜平台中部普遍布置重量较大的钻台等设备，且布置有月池结构。对于主尺度较大的半潜平台，在2 个立柱之间再增加1 个立柱可很大程度上缓解主船体结构变形情况，且中间立柱与主船体月池区域巧妙过渡，能大大缓解月池区域应力集中情况，使月池区域应力更加均衡，变形情况更加可控。同时，增加1 个中间立柱无论是对于主船体而言，还是对于下浮体结构而言，均是一个有利的支撑，可适当减小月池区域构件的尺寸，使全船的应力分布更加均衡。

5 无横撑半潜平台与有横撑半潜平台总强度分析对比

传统四立柱半潜平台的横撑结构，无论是在半潜平台总强度研究方面，还是在极限强度研究方面，甚至是在考虑横撑失效之后平台结构强度的冗余度研究中，都是关注的重点。横撑结构的存在对半潜平台的整体强度和整体框架的稳定性是有利的，但会增大平台的动力定位载荷，提高拖航阻力，同时对平台月池设备作业区域有很大限制。在风浪较大的情况下，平台设备易与横撑结构发生碰撞，海工产品在作业海域的工作时间较长，运输和维修成本较高，一旦横撑结构出现破损，将对实际工程产生很大影响。

传统四立柱半潜平台的立柱与主船体连接区域通常采用直角连接形式，并在连接处适当增加肘板。若采用这种连接方式，端部连接处通常会出现很大的应力集中现象。曹义军等［1］的研究已证实，在立柱与主船体连接区域采用合理的方法对立柱端部进行放大，并使立柱与主船体合理地连接和过渡，该结构连接处的应力水平甚至优于传统有横撑但直角连接的形式。在已有研究的基础上，研究在立柱与主船体端部放大之后，横撑结构存在与否对结构强度的影响。

在目标平台两端立柱上增加横撑结构，其尺寸和端部过渡参考之前典型的四立柱半潜平台，分析横撑结构对目标平台总强度的影响。

横撑为细长杆，可视为Morrison单元，其波浪力相比整个平台可视为小量。因此，本文默认有无横撑结构的平台所受波浪载荷相同，研究有无横撑结构对平台结构强度和应力分布的影响。对横向分离力工况、纵剪工况和纵扭工况下有无横撑结构的平台应力情况进行对比，从应力云图中可看出，横撑结构对降低平台立柱与主船体连接区域的应力是十分有效的。不同工况下对比立柱与主船体连接处最大应力情况见表6。由表6 可知，在考虑立柱与主船体合理连接的前提下，横撑结构能将立柱与主船体连接处的最大应力降低30%左右。

表6 不同工况下立柱与主船体连接处最大应力情况

6 结 语

本文采用全船有限元法研究了六立柱无横撑半潜平台的结构总强度问题，分别探讨了半潜平台全船有限元模型化方法、主要结构载荷、边界条件、结构分析衡准和应力分布情况。对不同工况下四立柱半潜平台和六立柱半潜平台的应力情况进行了分析对比，并对横撑结构对立柱与主船体合理过渡型式半潜平台的贡献度进行了探讨，主要得到以下结论：

1）较为系统全面地对六立柱无横撑半潜平台的总强度分析流程进行了梳理，明确了总强度分析中的关键要素，得到了六立柱无横撑半潜平台结构应力分布情况，可供后续同类型半潜平台的总强度研究参考。

2）六立柱半潜平台相比四立柱半潜平台能适当降低立柱与主船体连接区域的应力，对降低主船体变形的贡献较大，同时可明显缓解月池区域局部应力集中的情况，适用于尺度较大且中部月池区域开孔较大或月池区域设备载荷较大的半潜平台。

3）对于立柱与主船体连接区域合理放大过渡的半潜平台结构，横撑结构能将立柱与主船体连接区域最大应力降低30%左右，但在不设置横撑结构的情况下，通过合理设计立柱与上船体连接过渡，也能满足规范对强度的要求。在实际工程中，可根据实际载荷情况和需求，适当考虑横撑结构的取舍。

4）六立柱无横撑半潜平台在钢料使用方面要大于传统四立柱半潜平台，但能为执行特定作业功能和有特定安全考虑的半潜式平台的结构安全提供足够的保证。

除了本文的研究以外，有关六立柱无横撑半潜平台的研究还有很多，例如，六立柱半潜平台波浪载荷计算敏感性问题，立柱与主船体连接区域端部放大参数化优化设计，以及航行状态下六立柱半潜平台下浮体的结构强度、应力分布特点和优化等。考虑到项目目前的状态，平台设备的重量和载荷等都还没有细化考虑，后续需对这些内容作进一步的研究。