李艷臣+熊偉+方佩文

摘 要：本文闡述了Liftboat平臺(tái)圓柱形樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本理論，并以圓柱形樁腿為例，通過有限元分析，說明此類平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析方法及過程。

關(guān)鍵詞：Liftboat； 自升式平臺(tái)；圓柱形樁腿；強(qiáng)度計(jì)算

中圖分類號(hào)：U663.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： This paper describes the theory of structure strength analysis for the liftboat cylindrical leg. By FEA， this paper explains the process and method for the strength analysis of the cylindrical leg.

Keg Word：Liftboat； Self-elevating platform； Cylindrical leg； Strength analysis

1 引言

Liftboat自升式平臺(tái)具有活動(dòng)的樁腿，主船體能沿著支撐于海底的樁腿升至海面以上的預(yù)定高度，相對(duì)于受季風(fēng)季節(jié)影響較大的居住工作駁船，Liftboat更能適應(yīng)比較惡劣季風(fēng)季節(jié)天氣，保障油田正常施工。正是由于Liftboat這種優(yōu)勢(shì)，國外尤其是中東及東南亞等地區(qū)，近年來對(duì)于Liftboat的需求不斷增加，國內(nèi)船廠Liftboat的建造數(shù)量也逐年增加。季風(fēng)環(huán)境狀況惡劣，且Liftboat用于人員居住和工作支持，因此Liftboat平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全非常重要，尤其是自升式平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)樁腿強(qiáng)度。

本文以Liftboat平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全為目的，闡述了樁腿計(jì)算的強(qiáng)度理論，并以一圓柱形樁腿的Liftboat平臺(tái)為例，通過有限元分析，說明了此類平臺(tái)的樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析方法和過程。

2 樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效形式

自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的失效形式主要有三種：屈服強(qiáng)度失效；屈曲強(qiáng)度失效；疲勞強(qiáng)度失效。

2.1 屈曲強(qiáng)度

2.1.1 壓彎工況

對(duì)于圓柱形樁腿等類型的獨(dú)立構(gòu)件，當(dāng)桿件受到軸向壓力以及有彎曲產(chǎn)生的擠壓，其屈服強(qiáng)度需滿足以下要求：

2.1.2 拉伸工況

當(dāng)桿件受到軸向拉伸以及彎曲產(chǎn)生的拉伸作用，計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足以下要求：

式中符號(hào)代表意義見參考文獻(xiàn)[3]。

2.2 屈曲強(qiáng)度

圓柱殼體結(jié)構(gòu)遭受外力產(chǎn)生屈曲，根據(jù)圓柱殼體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，通常有以下三種典型屈曲形式，見圖1。

式中的符號(hào)代表意義見參考文獻(xiàn)[5]。

因圓柱體屈曲形式有以上三種典型形式，不同形式的屈曲強(qiáng)度校核公式因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式不同略有不同，以無加強(qiáng)或者加強(qiáng)環(huán)加強(qiáng)的柱體凹凸屈曲為例，屈曲強(qiáng)度可按以下公式進(jìn)行校核，詳見參考文獻(xiàn)[5]。

（ 7 ）

2.3 疲勞強(qiáng)度

疲勞強(qiáng)度校核的目的是為了確保平臺(tái)在使用過程中，在遭受復(fù)雜外力的情況下有足夠的疲勞壽命。根據(jù)規(guī)范要求，一般疲勞壽命不少于20年。

3 樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析內(nèi)容

圓柱殼體樁腿的結(jié)構(gòu)分析以桿件有限元分析為主，通常利用SACS軟件的桿元形式，模擬樁腿以及船體結(jié)構(gòu)，在校核樁腿強(qiáng)度的同時(shí)，也要校核自升式平臺(tái)的總體性能，包括站立工作狀態(tài)和極限工作狀態(tài)的樁腿強(qiáng)度、升降系統(tǒng)的承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴的承載極限以及船體抗傾覆穩(wěn)性等。

4 算例

以Liftboat為例，采用長(zhǎng)方形箱型結(jié)構(gòu)主船體，配有四個(gè)圓柱殼體形式樁腿，首尾各兩個(gè)，樁腿兩邊設(shè)置非對(duì)稱齒條，每個(gè)樁腿上配備7對(duì)液壓（或者電動(dòng)）驅(qū)動(dòng)升降系統(tǒng)，在拖航、作業(yè)以及極限自存工況下，升降系統(tǒng)利用制動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行制動(dòng)，提供能滿足風(fēng)暴載荷的制動(dòng)扭矩。每個(gè)樁腿帶有一個(gè)圓形樁靴，拖航時(shí)可收回至船體底部位置。

用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件SACS建立圖2所示模型。按照規(guī)范要求，加載空船重量以及可變載荷，相應(yīng)的環(huán)境載荷（見表1），包括風(fēng)力、浪流載荷、由浪流作用產(chǎn)生的動(dòng)力放大DAF以及側(cè)向力引起的二次彎矩P-Δ?？紤]樁腿對(duì)角線的方向，環(huán)境載荷的作用方向從0°～180°共7個(gè)方向，各方向環(huán)境載荷見下表2。

4.1 計(jì)算結(jié)果

有限元分析結(jié)果及后處理結(jié)果表明，樁腿強(qiáng)度、升降系統(tǒng)的承載性能、預(yù)壓載性能、樁靴的承載極限以及船體抗傾覆穩(wěn)性等都滿足規(guī)范相應(yīng)要求。

4.2 屈曲強(qiáng)度結(jié)果

利用SACS進(jìn)行整體分析時(shí)，根據(jù)單根桿件的受力特征，調(diào)整圓柱樁腿結(jié)構(gòu)的無支持長(zhǎng)度，按照相應(yīng)壓桿穩(wěn)定理論進(jìn)行調(diào)整?？紤]相應(yīng)調(diào)整的同時(shí)，根據(jù)整體模型計(jì)算的組合工況載荷大小，按照規(guī)范要求，核實(shí)圓柱形樁腿的屈曲強(qiáng)度，具體結(jié)果見表3。

4.3 疲勞分析結(jié)果

圓柱形樁腿的結(jié)構(gòu)特征，以及樁腿殼體制作時(shí)的焊縫形式皆為全熔透焊接形式，疲勞分析的關(guān)注點(diǎn)集中在樁腿和樁靴的連接位置，疲勞分析采用簡(jiǎn)單疲勞分析方法。偏于保守考慮，選用風(fēng)暴自存工況下組合工況的最大作用力，以樁腿和樁靴連接位置應(yīng)力集中處為考察對(duì)象，校核其疲勞強(qiáng)度如圖3所示。分析結(jié)果表明，疲勞壽命滿足規(guī)范要求的最低20年的最小疲勞壽命。

5 結(jié)論

本文從理論和實(shí)例出發(fā)，闡述了LIFTBOAT等自升式平臺(tái)的圓柱形樁腿強(qiáng)度的計(jì)算原理和分析方法，并得出以下結(jié)論：

（1） 樁腿強(qiáng)度的失效形式主要有屈服強(qiáng)度失效、屈曲強(qiáng)度失效和疲勞強(qiáng)度失效三種形式。

（2） 總體性能是決定平臺(tái)安全操作的首要條件，滿足樁腿強(qiáng)度要求的同時(shí)要滿足平臺(tái)的總體性能要求。

（3）樁腿是自升式平臺(tái)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，樁腿的安全是平臺(tái)安全的前提條件，強(qiáng)度校核時(shí)考慮了DAF、P-Δ等因素的影響，計(jì)算偏于保守。

參考文獻(xiàn)

[1] 常雙利. LIFTBOAT平臺(tái)在海洋油田的應(yīng)用分析[J]. 石油機(jī)械，2010，38（1）.

[2] 李紅濤. 自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析研究[J]. 中國海洋平臺(tái)，2010， 25（2）.

[3] ABS Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units [M] 2008 （with Rule Change Notices）.

[4] ABS Guide for Fatigue Assessment of Offshore Structures and Commentary [M]， 2014.

[5] ABS Guide for Buckling and Ultimate Strength Assessment for Offshore Structures[M]， 2014.

[6] SACS，Structural Analysis Computer System[P].endprint