竇培林， 唐建飛， 李曉東 ，裴滿意

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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自升式鉆井平臺懸臂梁結構動態(tài)響應分析

竇培林， 唐建飛， 李曉東 ，裴滿意

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

懸臂梁結構是自升式鉆井平臺鉆井模塊的重要配置，直接影響平臺的鉆井能力。利用MSC.Patran&Nastran軟件對某350 ft自升式鉆井平臺懸臂梁結構進行動態(tài)響應分析，建立了懸臂梁結構的有限元模型，在懸臂梁最大外伸工況下，分析得到結構的前8階固有頻率和振型。隨后在模態(tài)分析的基礎上利用模態(tài)法對懸臂梁進行瞬時動態(tài)響應分析，得到了結構在瞬態(tài)載荷作用下的動力響應。結果表明：動載荷對懸臂梁結構影響比較明顯，在進行懸臂梁結構分析時必須考慮鉆井過程中動載荷對結構的影響。研究結果對懸臂梁結構分析及優(yōu)化設計具有一定的指導意義。

自升式鉆井平臺；懸臂梁；模態(tài)分析；瞬時動態(tài)響應分析

0 引言

海洋平臺作為海上資源開發(fā)的重要裝備，在油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮著重要作用。其中，自升式鉆井平臺由于其操作靈活、定位能力強、適用水域廣、可重復使用等優(yōu)點，在大陸架海域油氣勘探開發(fā)中得到了廣泛應用。懸臂梁結構作為自升式鉆井平臺的重要配置，其主要功能是通過調整自身外伸距離以及鉆臺的橫向移動，實現(xiàn)井口位置的變化和鉆叢式井的目的，能有效地擴大自升式鉆井平臺的鉆井作業(yè)范圍[1-3]。

目前，懸臂梁的結構分析主要局限于靜力分析，任憲剛等[4]介紹了當今國際上常用的三種懸臂梁型式，對比分析了三種懸臂梁優(yōu)缺點、結構特點和作業(yè)范圍，列舉了一個懸臂梁具體的設計實例，闡述了其設計方法，在不同工況下，對懸臂梁進行了有限元分析。劉祥建等[5]以大連船舶重工自主研發(fā)的DSJ-300自升式鉆井平臺為目標，詳細介紹了懸臂梁結構研究分析的方法，通過有限元分析，得到了該平臺懸臂梁結構的應力圖。劉宇等[6]利用有限元軟件ANSYS對海洋平臺懸臂梁進行了強度計算，得到了懸臂梁位移和應力云圖，在平臺建造碼頭對懸臂梁進行了現(xiàn)場強度測試試驗，并將有限元計算結果與實際測試結果進行了比較分析。在實際工作過程中，懸臂梁要承受鉆井設備的振動以及變化的鉆井載荷等動載荷的作用，目前對懸臂梁進行動態(tài)分析開展的相關研究比較少，因此關注其動態(tài)特性在工程上是比較有意義的。為了保證懸臂梁具有足夠的可靠性，必須在設計的時候對其進行動態(tài)響應分析。

以某350 ft水深作業(yè)的自升式鉆井平臺的懸臂梁結構為研究對象，該平臺如圖1所示。采用有限元軟件MSC.Patran&Nastran，建立了懸臂梁結構有限元模型，在懸臂梁最大外伸工況下，對懸臂梁進行了動態(tài)響應分析。研究結果可為同類結構的動態(tài)響應分析提供參考，對該型懸臂梁后續(xù)結構優(yōu)化設計也具有一定的指導意義。

圖1 自升式鉆井平臺

1 結構動力學分析理論基礎

懸臂梁結構屬于多自由度結構，其多自由度結構系統(tǒng)結構動力學基本方程如下：

(1)

對于海洋平臺和船舶等海洋結構物的動力分析過程中，由于外摩擦很小，系統(tǒng)的阻尼主要是結構阻尼，結構系統(tǒng)的阻尼矩陣[C]通常可以忽略不計[7]。懸臂梁結構動力響應分析實質就是求解懸臂梁結構動力學基本方程的過程。

懸臂梁結構動力響應分析首先是進行結構的模態(tài)分析，得到懸臂梁結構的固有頻率和振型，為后續(xù)瞬時動態(tài)響應分析提供重要的參數(shù)。在模態(tài)分析的基礎上，計算懸臂梁在瞬時沖擊載荷F(t)作用下的瞬時動態(tài)響應。一般動態(tài)響應分析方法有解析法和有限元法，對于懸臂梁這類自由度結構常用有限元法進行動態(tài)響應分析。

2 懸臂梁有限元模型

2.1 懸臂梁有限元模型的建立

該文以某船廠350 ft水深作業(yè)的三角型自升式鉆井平臺懸臂梁結構為研究對象，其側視圖如圖2所示，懸臂梁主要設計參數(shù)見表1。

圖2 懸臂梁結構側視圖

表1 懸臂梁設計基本參數(shù)

圖3 懸臂梁結構有限元模型

該懸臂梁結構模型為左右對稱結構，模型的所有板架結構及強型材腹板均采用四邊形或三角形板單元模擬，其它骨材、扶強材及強型材面板均采用梁單元模擬。懸臂梁結構所采用的材料為高強度或超高強度鋼，縱向大梁與井架橫梁采用EQ56超高強度鋼，其余結構采用DH36、EH36高強度鋼，楊氏模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/mm3，EQ56超高強度鋼屈服極限σ1=550 MPa，EH36、DH36(船用高強度結構鋼)屈服極限σ2=355 MPa，懸臂梁結構有限元模型如圖3所示。

2.2 邊界條件

自升式平臺懸臂梁結構在生產作業(yè)過程中通過鎖緊裝置控制進行定位，包括前鎖緊裝置和后鎖緊裝置，其作用是在懸臂梁到達井口位置后對其進行固定，這兩處為固定約束，因此在有限元計算中該兩處的邊界條件均采用固定約束進行模擬。

3 結構動力響應分析

懸臂梁在工作過程中工況較為復雜，根據(jù)靜態(tài)分析結果，危險工作工況發(fā)生在懸臂梁最大外伸的情況下，因此該文以懸臂梁外伸距離最大工況進行動力響應分析。

3.1 模態(tài)計算及分析

考慮了懸臂梁結構實際工作狀態(tài)的邊界條件，采用MSC.Nastran有限元分析軟件中的Lanczos Method(蘭索士法)[9]對自升式鉆井平臺懸臂梁結構在極限井位工況下的模態(tài)進行了分析。在多自由度系統(tǒng)中，低階模態(tài)對結構的振動特性起主要作用，階數(shù)越高其影響越小，高階模態(tài)幾乎無影響，因此該文提取了懸臂梁結構的前8階模態(tài)振型，如圖4所示，模態(tài)頻率見表2。

圖4 懸臂梁前8階模態(tài)振型

表2 懸臂梁前8階模態(tài)頻率

由前8階振型圖可以看出：第1階振型其振動型式表現(xiàn)為懸臂梁整體做大幅度左右擺動，無其他明顯振動型式；第2階振型其振動型式主要表現(xiàn)為鉆臺區(qū)外橫梁強烈的前后擺動，并帶動鉆臺區(qū)左右兩側的大梁擺動；第3階振型其振動型式主要表現(xiàn)為鉆臺區(qū)大幅度左右擺動，懸臂梁整體伴有輕微的擺動；第4階振型其振動型式主要表現(xiàn)為懸臂梁整體彎曲；第5階振型其振動型式主要表現(xiàn)為鉆臺區(qū)兩側的大梁左右擺動，并帶動鉆臺區(qū)外橫梁的前后擺動；第6階振型其振動型式主要表現(xiàn)為鉆臺區(qū)左右兩側的大梁左右擺動；第7階振型其振動型式主要表現(xiàn)為鉆臺區(qū)外橫梁的扭轉運動，鉆臺區(qū)兩側的大梁伴有輕微的左右擺動；第8階振型其振動型式主要表現(xiàn)為懸臂梁結構整體比較強烈的扭轉運動。

通過懸臂梁結構的模態(tài)分析可以看出：除了懸臂梁結構整體表現(xiàn)出的搖擺、彎曲及扭轉運動外，其局部振動主要發(fā)生在鉆臺區(qū)，此處為鉆井載荷主要承受區(qū)域，剛度偏弱，為危險區(qū)域，建議采取加強措施加強該區(qū)域兩側大梁及外側橫梁的剛度。

3.2 瞬態(tài)動力響應分析

瞬態(tài)動力學分析也叫時間歷程分析，是用來計算結構強迫動力響應的一種方法。瞬態(tài)動力響應的目的是計算結構在隨時間變化的激勵載荷作用下的響應(應力、應變、力)，為結構的優(yōu)化設計奠定基礎。對于瞬態(tài)動力學分析，MSC.Nastran中提供了模態(tài)法和直接法[9]兩種求解方法，對懸臂梁結構瞬態(tài)動力學分析采用模態(tài)法進行求解。

3.2.1 沖擊載荷確定

在正常鉆井工作過程中有時會出現(xiàn)“猛提、猛剎”的操作，這一動作會對結構體產生較大的瞬時沖擊載荷，該文以懸臂梁最大外伸鉆井過程中的特殊工作狀態(tài)(“猛提、猛剎”)[8]為計算工況進行瞬態(tài)分析，該工況下的載荷與時間曲線如圖5所示。

圖 5 “猛剎、猛提”工況載荷時間曲線

圖5描述了懸臂梁瞬時動態(tài)響應分析試驗加載的時間歷程，將該時間歷程施加于懸臂梁節(jié)點以計算懸臂梁在“猛剎、猛提”工況下所產生的瞬時沖擊載荷的響應，包括：1～2階段為載荷施加的初始階段，懸臂梁從0～0.31 s始終承受900 t恒定載荷的作用；2～3階段為從0.31 s開始載荷瞬間以坡面的形式陡然增加至1 800 t；3～4階段懸臂梁承受1 800 t恒定載荷的作用；4～5階段載荷從0.328 s～0.34 s快速降至原來的900 t；5～6階段懸臂梁繼續(xù)承受900 t不變的載荷。

3.2.2 時間步長的確定

時間步長的選取主要取決于計算精度，即在滿足計算精度要求的前提下，選取盡可能大的時間步長，這樣可以節(jié)省計算時間。在結構分析中，通常是前幾階振型對結構的影響比較大，更高階振型的影響可以忽略。在懸臂梁瞬時動態(tài)響應分析時，時間步長Δt與結構的最高頻率fmax滿足式(2)時其解的精度比較合理。

(2)

由模態(tài)分析結果可知fmax=6.195 Hz，所以取Δt為0.008 s為瞬時動態(tài)響應分析的時間步長。

3.2.3 結果與分析

利用MSC.Nastran對懸臂梁進行瞬態(tài)動力響應分析，得到了懸臂梁結構動力響應結果，如圖6、圖7所示。

圖6 應力云圖

圖7 動位移響應圖

圖6(a)為懸臂梁結構整體應力云圖，圖6(b)為圖6(a)的細節(jié)放大圖，從結構的整體應力云圖中可以看出，懸臂梁整體結構應力水平較低，最大集中應力發(fā)生在懸臂梁前端鎖緊裝置處，如圖6(b)所示，其值為489 MPa，相比于靜力分析要大31.8%(靜力計算最大應力值為371 MPa)，說明懸臂梁在該特殊工況下受到的瞬態(tài)沖擊載荷對局部結構的應力影響較為明顯?！懊吞?、猛剎”工況是鉆井過程中的一種特殊工況，操作過程中應盡量避免，但在設計過程中必須考慮特殊工況下動載荷對結構的影響，對局部結構進行加強，以免懸臂梁發(fā)生動力失穩(wěn)破壞。懸臂梁動位移響應圖如圖7所示。

由圖7可以看出，隨著時間的推移，懸臂梁末端(節(jié)點51 637)的位移隨之增大。在0.31 s前，懸臂梁末端的位移先快速增大，在經歷0.2 s后變化速度平緩。在0.3 s后由于“猛提、猛剎”的現(xiàn)象引起大鉤載荷急劇增加導致懸臂梁末端位移曲線迅速上升并達到極值228.01 mm，比靜力分析下變形值大42.5%(靜力計算最大變形值為160 mm)。

4 結論

該文在懸臂梁最大外伸工況下利用MSC.Patran&Nastran軟件對其進行了動態(tài)響應分析。首先進行了模態(tài)分析，并以“猛提、猛剎”特殊工況進行了瞬態(tài)動力響應分析，得到如下結論：

(1) 通過懸臂梁的模態(tài)分析，得到了懸臂梁結構的前幾階固有頻率和振型，為瞬時動態(tài)響應分析及其他動力響應分析提供了重要的參數(shù)。

(2) 通過懸臂梁結構瞬態(tài)動力響應分析，得到了“猛提、猛剎”工況下結構的動力響應。動載荷對懸臂梁結構的影響比較大，最大動應力比靜力分析結果大31.8%，最大動位移比靜力分析變形值大42.5%。因此，在進行懸臂梁結構分析時必須考慮鉆井過程中動載荷對結構的影響。

懸臂梁結構的動力響應分析為同類結構的動態(tài)響應分析提供了參考，也對該型懸臂梁結構后續(xù)優(yōu)化設計及工程實際操作有一定的指導意義。

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Dynamic Response Analysis for Cantilever Beam of Jack-up Platform

DOU Pei-lin, TANG Jian-fei， LI Xiao-dong, PEI Man-yi

(Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003， China)

Cantilever beam structure is an important configuration of drilling modules of jack-up drilling platform. It has a direct influence on the drilling capacity of platform. The finite element model of cantilever beam structure of 350ft jack-up drilling platform was estabished by MSC.Patran&Nastran software to analyze the dynamic response. Firstly, the structure 8 natural frequencies and vibration modes in the condition of maximum cantilever overhang were got. Then, adopting modal method to have a transient dynamic response analysis on the basis of modal analysis. The dynamic response of the structure under the action of transient loads. It can be found that dynamic loads have more obvious influence on cantilever beam structure. Therefore, dynamic loads must be considered when analyzing cantilever beam structure. It has a certain guiding significance to cantilever beam structure analysis and optimization design.

jack-up drilling platform； cantilever beam； modal analysis； transient dynamic response analysis

2015-08-24

竇培林(1964-)，男，教授。

1001-4500(2016)05-0057-06

P75

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