深水半潛式鉆井平臺典型節(jié)點強度分析

第二代半潛鉆頭平臺代表了當前世界鉆孔平臺的進步水平。該平臺結構復雜，連接節(jié)點顯著減少。第六代半潛式鉆井平臺的節(jié)點由空間板架結構構成,節(jié)點尺度遠大于以往半潛式鉆井平臺節(jié)點,應力分布情況十分復雜,而平臺主要結構連接處典型節(jié)點結構的失效破壞往往會危及平臺整體結構的安全,因此這些節(jié)點的強度性能成為制約平臺安全作業(yè)的關鍵因素之一。基于SESAM軟件,提出了一套平臺典型節(jié)點結構分析方法,并針對目標平臺立柱與撐桿連接處典型節(jié)點進行了強度分析。1平臺有限元分析由于深水半潛式鉆井平臺連接節(jié)點結構形式復雜,為有效分析結構應力場分布,要采用有限元方法分析靜載荷和危險波浪載荷條件下結構的局部強度。根據SESAM軟件的特點和結構有限元計算基本原理,首先根據典型節(jié)點在平臺結構中所處的位置分析平臺在何種波浪載荷工況時典型節(jié)點受力最大、應力水平最高;然后用PatranPre模塊建立平臺波浪載荷模型,用Wadam模塊計算平臺整體結構受到的波浪載荷,再將平臺受到的波浪載荷傳遞給平臺整體結構有限元模型,用Sestra模塊進行平臺整體結構有限元分析,確定平臺節(jié)點局部結構有限元模型的載荷邊界條件;最后將平臺節(jié)點受到的波浪載荷傳遞給節(jié)點局部結構有限元模型,同時與節(jié)點受到的波浪載荷工況相對應,用Submod模塊將波浪載荷工況的載荷邊界條件傳遞給平臺典型節(jié)點局部結構有限元模型進行局部結構強度分析,確定局部結構的應力水平。半潛式平臺典型節(jié)點局部強度分析流程見圖1。2平臺的載荷分析目標平臺的主體結構為一雙下浮箱、四立柱、箱型甲板、艏艉立柱間各用2根橫撐連接的框架結構(圖2),平臺總長度114.07m,寬度78.68m,高度(基線到主甲板)38.2m。進行波浪載荷分析時,目標平臺的吃水、排水量、回轉半徑等參數(shù)見表1。使用SESAM軟件PatranPre模塊按照目標平臺外部幾何形狀和尺寸建立平臺的3D波浪載荷計算模型,該模型共有3408個板單元(圖3)。在進行波浪載荷分析時,為考慮流體粘性力影響,在平臺垂蕩自由度上加上了3%的臨界阻尼。研究認為,目標平臺受到最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力時各連接節(jié)點受力情況最惡劣?？紤]目標平臺作業(yè)海域的環(huán)境條件,利用設計波隨機計算方法研究確定平臺在生存、作業(yè)、拖航狀態(tài)下受到危險波浪載荷(即最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩及最大縱向剪切力)作用時的設計波參數(shù)與設計波載荷(表2)。3典型節(jié)點強度分析3.1上地殼結構組成目標平臺的整體結構有限元模型、立柱與撐桿連接處典型節(jié)點有限元模型及該典型節(jié)點在平臺結構中的位置如圖4所示。目標平臺整體結構有限元模型主要包括4個立柱、2個浮箱、4根橫向支撐、一體化的上部甲板結構及一些基本結構,由大約60000個板單元、50000個梁單元和300個質量元構成,大部分梁單元和板單元的尺寸為1.5m左右。立柱與撐桿連接處典型節(jié)點有限元模型由板單元建立,在保證抗彎剛度相等的原則下采用角鋼等效模擬球扁鋼類型的扶強材,模型采用矩形板單元建立,最小單元尺度約為t×t(t為板厚),最大單元尺度約為0.1m×0.1m,該局部結構模型由大約80000個板單元構成。3.2結構有限元模型使用SESAM軟件Wadam模塊,根據輻射—繞射理論計算平臺在遭受最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩及最大縱向剪切力時整體結構和局部典型節(jié)點受到的波浪載荷,并將所得波浪載荷分別傳遞到平臺整體結構有限元模型和典型節(jié)點局部結構有限元模型。平臺結構受到的靜水力載荷和波浪載荷,在計算過程中要分步計算并傳遞給結構模型;結構計算時要分別針對靜水工況和波浪載荷工況進行有限元分析,最后進行應力組合,確定結構應力水平。圖5為整體結構受到的波浪載荷示意圖,圖6為局部結構受到的波浪載荷示意圖。3.3局部位移場在進行局部強度分析之前,首先要分析各危險載荷工況下目標平臺整體結構強度,計算得到平臺主體結構位移場,從而確定典型節(jié)點局部結構模型的載荷(位移)邊界條件;隨后用Submod模塊將各載荷工況下由整體強度分析得到的邊界條件逐一準確地傳遞給典型節(jié)點局部模型,結合由相應波浪載荷分析確定的節(jié)點結構波浪載荷即可準確地分析節(jié)點局部結構的應力分布及應力水平。3.4立柱與撐桿連接處節(jié)點局部結構應力分析用有限元方法對平臺立柱與撐桿連接處典型節(jié)點的應力分布情況進行研究。首先分析拖航狀態(tài)、作業(yè)狀態(tài)、生存狀態(tài)下,當波浪入射方向為90°、120°、135°,即目標平臺受到最大橫向撕裂力、最大橫向扭矩、最大縱向剪切力作用時平臺的整體強度,確定立柱與撐桿連接處節(jié)點模型相應工況的載荷邊界條件,然后根據載荷邊界條件和節(jié)點波浪載荷分析相應工況下節(jié)點的強度。圖7為平臺整體結構波浪入射方向示意圖。圖8為生存狀態(tài)下波浪入射方向為90°(即目標平臺受到最大橫向撕裂力作用)時節(jié)點局部結構的應力云圖,最大應力出現(xiàn)在結構扶強材肘板連接處,為291.0MPa。設計中,立柱與撐桿連接處局部結構采用EQ36鋼材建造,其屈服強度為355.0MPa,根據ABS-MODU規(guī)范,結構在波浪載荷條件下許用應力系數(shù)取1.11,該種鋼材許用應力為320.0MPa。計算結果表明,該狀態(tài)下結構最大應力低于材料許用應力,平臺遭受最大橫向撕裂力時,立柱與撐桿連接處節(jié)點強度滿足規(guī)范要求。圖9為生存狀態(tài)下波浪入射方向為120°(即目標平臺受到最大橫向扭矩作用)時節(jié)點局部結構的應力云圖,最大應力出現(xiàn)在立柱與撐桿連接處肘板應力集中位置,為517.4MPa。根據中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》規(guī)定,對該處0.2m×0.2m區(qū)域內所包含的所有單元應力進行平均,得到的平均應力為315.5MPa,低于該典型節(jié)點鋼材的許用應力320.0MPa;同時,除該立柱與撐桿連接處肘板應力集中位置外,其余結構應力水平均低于320.0MPa。因此,在平臺遭受最大橫向扭矩時立柱與撐桿連接處節(jié)點強度滿足規(guī)范要求。圖10為生存狀態(tài)下波浪入射方向為135°(即目標平臺受到最大縱向剪切力作用)時節(jié)點局部結構的應力云圖,最大應力出現(xiàn)在立柱與撐桿連接處肘板應力集中位置,為512.6MPa。同上所述,對該處0.2m×0.2m區(qū)域內單元應力進行平均,得到的平均應力為316.7MPa,低于該典型節(jié)點鋼材許用應力320.0MPa;同時,除立柱和撐桿連接處肘板應力集中位置外,其余結構應力水平均低于320.0MPa。因此,在平臺遭受最大縱向剪切力時,立柱與撐桿連接處節(jié)點強度也滿足規(guī)范要求。同樣,對作業(yè)狀態(tài)、拖航狀態(tài)下平臺立柱與撐桿連接處節(jié)點局部結構的應力水平也進行了分析,結果見表3。由表3計算結果可知,在作業(yè)狀態(tài)和拖航狀態(tài)下節(jié)點結構應力水平低于鋼材許用應力320.0MPa,因此結構強度滿足規(guī)范要求。4基本結論分析本文開展深水半潛式鉆井平臺結構連接典型節(jié)點強度研究,解決了平臺典型連接節(jié)點的分析技術問題,建立了一套基于SESAM軟件的典型節(jié)點強度分析流程,并成功應用于深水半潛式鉆井平臺典型節(jié)點強度分析,證實了目標平臺立柱與撐桿典型連接節(jié)點強度滿足規(guī)范要求,得到如下結論:(1)基于SESAM軟件的半潛平臺典型節(jié)點強度分析方法程序簡單,可操作性強,可方便