唐文獻,錢 浩,張 建,秦文龍,唐振新,曹 俊

(江蘇科技大學 機械工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江,212003)

隨著科學技術及經(jīng)濟文明的不斷發(fā)展,以及人類對石油資源需求的不斷增加,世界各國正逐步開發(fā)海洋石油資源.自升式鉆井平臺[1]作為開發(fā)海洋石油資源的重要裝置,其結(jié)構(gòu)可靠性直接關系到自升式鉆井平臺的安全問題.自升式鉆井平臺主要由船體、固樁架、樁腿及樁靴4部分組成,其中固樁架[2-4]是連接船體和樁腿的重要部件,在預壓工況下,其主要承受重力載荷,而在作業(yè)及暴風自存工況下,主要承受重力及環(huán)境載荷,因而對固樁架的力學性能進行研究是十分有必要的.有關自升式鉆井平臺固樁架的分析已有大量研究，文獻[5-6]中對自升式平臺站立工況及該工況下主要構(gòu)件的力學性能進行了研究;文獻[7]中在nSoft疲勞分析理論的基礎上,運用計算機模擬試驗法對固樁架的疲勞問題進行了研究;文獻[8]中運用ANSYS軟件對固樁架有限元模型進行了應力分析;文獻[9-10]中分析了風浪流載荷作用下平臺關鍵部位的結(jié)構(gòu)強度;文獻[11-12]中對自升式平臺的力學性能研究方法進行了研究和論述.雖然很多學者已經(jīng)在自升式鉆井平臺分析方面做了大量工作,但很少有學者通過建立固樁架詳細模型來研究船體與樁腿的連接剛度.為此,文中以自升式鉆井平臺固樁架為研究對象,通過建立固樁架、樁腿及支架處的力學模型以確定載荷分布,并建立固樁架三維有限元模型,運用有限元軟件分析研究了自升式鉆井平臺固樁架在預壓、作業(yè)、暴風自存工況下的力學性能,并以此為基礎對船體和樁腿的連接剛度進行了論述.

1 建模

1.1 有限元模型

文中以Super M2自升式鉆井平臺固樁架為研究對象,其主要構(gòu)件有:前承載板,后承載板,側(cè)及下承載板,前支架,后支架,內(nèi)部加強板,支架加強筋,導向板,導向板加強筋,支撐板,支撐圓管等,具體結(jié)構(gòu)形式如圖1.固樁架所有構(gòu)件材料為:Q345,其彈性模量、屈服強度、泊松比分別為206 GPa，345 MPa，0.3 MPa.由于固樁架是箱體類結(jié)構(gòu),因而采用殼單元模擬固樁架構(gòu)件,并約束固樁架與船體連接處節(jié)點的6個自由度,所建固樁架三維有限元模型包括91 450個單元,85 281個節(jié)點.

圖1 固樁架網(wǎng)格模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Mesh model diagram of Jacking Frame

1.2 載荷

固樁架在預壓工況、作業(yè)工況、暴風自存工況下所匹配的垂直載荷分別為16 032,13 082,11 721 t;而在作業(yè)工況、暴風自存工況下承受風載荷的作用,且作業(yè)及暴風自存工況下的風載荷設計參數(shù)[2]分別為36,51.4 m/s.文中將研究各工況下垂直載荷和水平載荷對固樁架力學性能的綜合影響,由于其結(jié)構(gòu)的對稱性,因而只需研究120°范圍內(nèi)固樁架的力學性能.

1.2.1 水平載荷

風載荷的計算方法參照《海洋自升式移動平臺設計與研究》[13-14],并假定風載荷方向與船體甲板面平行.在分析風載荷時,可建立力學模型(圖2),圖2a)所示力學模型中將桁架式樁腿簡化為直立杠桿,圖2b)為固樁架簡化力學模型,其中①，②，③，④，⑤，⑥為固樁架6個上導向板的編號；F為樁腿所受合力；F1為上導向處所受合力；F2為下導向所受合力.

a) 直立杠桿型 b)力學模型

1.2.2 垂直載荷

在分析垂直載荷時,可將L型減速器簡化成剛性桿杠模型,其受力分析如圖3,其中:F為小齒輪所受合力；F1為后支架所受合力；F2為前支架所受合力.而在現(xiàn)實情況中,前后之架的接觸面為半圓柱面,其接觸壓力按余弦函數(shù)方式分布.設P為接觸表面壓力，Pm為余弦函數(shù)分布壓力的峰值,x為壓力P與接觸面的夾角，r,l分別為支架半徑和寬度,因而接觸壓力的表達式為:

P=Pm×cosx

(1)

(2)

圖3 垂直載荷力學模型Fig.3 Vertical load mechanical model

2 結(jié)果分析與討論

預壓工況下固樁架的應力云圖(圖4),該工況下最大應力值為98.1 MPa,最小應力值為0.145 MPa;且在最下處后支架接觸面產(chǎn)生最大應力,其值為98.1 MPa,其原因為:①前后支架承受載荷時,后支架承受主要載荷;②由于后支架處所有載荷方向都垂直向下,所以最下處后支架受力最大.

圖4 預壓工況應力云圖Fig.4 Preload conditions stress cloud

作業(yè)工況下固樁架的應力云圖如圖5所示,且當特征角度θ為30°時,右半側(cè)最下處后支架及上導向板下邊緣和導向加強筋邊緣產(chǎn)生最大應力,最大應力值為123.2 MPa.通過分析可知:①后支架承受的載荷較大,且受力方向全部垂直向下,因而最下處后支架產(chǎn)生最大應力;②右半側(cè)固樁架上導向下邊緣及對應導向加強筋邊緣處應力較大，主要是由于其承受較大的水平載荷;③將作業(yè)工況下固樁架的力學性能與預壓工況相比較,可知水平載荷對固樁架力學性能的影響較大.

θ=0° θ=30° θ=60° θ=90° θ=120°

暴風自存工況下固樁架的應力云圖如圖6所示,且當特征角為30°,90°時,左、右側(cè)固樁架上導向下邊緣及相應導向加強筋邊緣產(chǎn)生最大應力,最大應力值為236.7 MPa,這主要由于暴風自存工況下固樁架所承受的水平載荷較大,且固樁架導向本身也存在設計缺陷,從而導致導向處應力值進一步增大.

θ=0° θ=30° θ=60° θ=90° θ=120°

固樁架各特征角度下的最大應力值如表1所示,通過對比可知各特征角度下的最大應力都發(fā)生在暴風自存工況,且在導向下邊緣及相應導向加強筋邊緣產(chǎn)生最大應力;通過對比各特征角度下的最大應力值,可知最大應力值會隨角度的改變而發(fā)生改變,且在一定范圍內(nèi)浮動,尤其當特征角度為30°和90°時,固樁架產(chǎn)生最大應力.

表1 固樁架最大應力Table 1 Maximum stress of jacking frame

通過分析圖4,5,6可知,各工況下的最大應力值及發(fā)生最大應力區(qū)域如表2所示.當只有垂直力作用時,后支架受力最大;而當垂直載荷和水平載荷共同作用,且水平載荷較小時,后支架和導向邊緣及相應加強筋邊緣都是可能發(fā)生屈服的區(qū)域;當垂直載荷和水平載荷共同作用,而水平載荷較大時,此時導向邊緣及相應加強筋邊緣為可能發(fā)生屈服的區(qū)域.

表2 各工況下最大應力Table 2 Maximum stress of all conditions

由于固樁架材料為Q345,其屈服強度σb為345 MPa;并根據(jù)船級社規(guī)范選取安全系數(shù)S=0.85,有:

[σ]=S×σb=0.85×345=293.25 MPa

σmax=236.7 MPa

σmax<[σ]=293.25 MPa

所以,固樁架整體滿足強度要求.式中:[σ]為Q345屈服應力;σmax為固樁架最大應力.

圖7,8為固樁架在作業(yè)工況、暴風自存工況下發(fā)生最大應力時的位移云圖,從位移云圖中可知,作業(yè)工況下導向位移為1.634 mm,暴風自存工況下導向位移為2.871 mm，而此時導向在作業(yè)工況及暴風自存工況下的應力值分別為123.2,236.7 MPa,因而可根據(jù)公式K=F/s求得作業(yè)工況及暴風自存工況下船體與樁腿的連接剛度分別為79.398,82.445 N/mm,從而可知,連接剛度會隨著外部載荷的增加而增加.式中:K為連接剛度;F為接觸力;s為位移值.

圖7 作業(yè)工況位移云圖Fig.7 Working conditions displacement cloud

圖8 暴風自存工況位移云圖Fig.8 Storm self-existence condition displacement cloud

3 結(jié)論

1)在作業(yè)工況及暴風自存工況下船體與樁腿的連接剛度分別為79.398,82.445 N/mm.

2)對固樁架的研究,要綜合考慮垂直載荷和水平載荷對固樁架力學性能的影響，研究結(jié)果表明:作業(yè)工況下,垂直載荷及水平載荷共同影響著固樁架的力學性能;暴風自存工況下,水平載荷對固樁架的力學性能有突出影響.

3)考慮水平載荷時,要注重船體與風載荷的夾角因素,特別是當船體與風載荷的夾角為30°,90°時,風載荷對固樁架的力學性能有突出影響.

4)通過對固樁架力學性能的研究,可以知道固樁架的最下處支架、導向邊緣及相應的導向加強筋邊緣是最容易發(fā)生屈服的區(qū)域.

然而,在文中的研究過程中也存在著一些不足:水平載荷只考慮了風載荷;力學模型分析計算中,將樁腿和L型減速器抽象成剛性杠桿;固樁架的支架采用殼單元等.

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