陳邦敏，張 暉，王朝陽(yáng)，付殿福

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

1 主要分析流程

用SACS進(jìn)行半潛平臺(tái)組塊在位強(qiáng)度分析的主要難點(diǎn)是如何簡(jiǎn)化船體的模型，并合理恢復(fù)船體所受到的環(huán)境載荷。由于設(shè)計(jì)波法用于半潛平臺(tái)設(shè)計(jì)已經(jīng)有很多先例，是一種成熟的做法。因此采用AQWA對(duì)半潛平臺(tái)進(jìn)行整體性能分析，得出影響半潛平臺(tái)主要敏感的設(shè)計(jì)波，并求出在每個(gè)設(shè)計(jì)波下船體單元所受到的波壓力以及整體結(jié)構(gòu)受到的加速度。在SACS中對(duì)船體模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，將船體單元AQWA受到的波壓力進(jìn)行荷載傳遞，傳遞到SACS的桿件節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)恢復(fù)對(duì)應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)加速度，就得到了SACS模型中整個(gè)帶環(huán)境載荷的模型，為進(jìn)行桿件校核提供了基礎(chǔ)。整體的流程主要參見(jiàn)圖1 SACS用于半潛平臺(tái)分析流程[1-2]。

2 模型的簡(jiǎn)化以及等效

SACS的主要目的是進(jìn)行上部組塊的強(qiáng)度校核，為了將船體所受到的波浪力進(jìn)行恢復(fù)，同時(shí)為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，需要將船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的原則是滿(mǎn)足環(huán)境力的恢復(fù)和不影響計(jì)算結(jié)果?；谶@2個(gè)原則，在SACS中通過(guò)BEAM單元來(lái)模擬船體。為了不影響組塊與船體之間的計(jì)算結(jié)果，水面以上部分船體安裝船體的實(shí)際模型建模，如圖2和圖3所示。

為了使簡(jiǎn)化更合理，簡(jiǎn)化的beam桿件需要盡可能與船體剛度一致，在SACS中需要計(jì)算得出Hull的8個(gè)參數(shù)：

Zdimension：Z向尺度，

Ydimension：Z向尺度，

圖1 SACS用于半潛平臺(tái)分析流程Fig.1 SACS for semi submersible platform analysis process

圖2 SACS整體模型Fig.2 SACS integral model

圖3 局部船體模型Fig.3 Model of local hull

Yshear area：Y剪切面積，

Zshear area：Z剪切面積，

Axial area：軸向面積 所有截面面積之和，

Torsional moment of inertia：扭轉(zhuǎn)慣性矩，

Moment of inertia aboutY：IyyY軸慣性矩，

Moment of inertia aboutZ：IzzZ軸慣性矩。

其中Z，Y的尺度為column的尺度，這里取21 m。Y和Z的剪切面積分別每個(gè)方向的剪切面積，按照船體的結(jié)構(gòu)圖，由于船體上有很多bulb板，因此只需要簡(jiǎn)化考慮剪切面積，Y向剪切面積只考慮沿著Y向布置的板面積，Z向剪切面積只考慮沿著Z向布置的板面積，如圖4所示。

圖4 截切面積的計(jì)算Fig.4 Calculation of the shear area

扭轉(zhuǎn)慣性矩的計(jì)算，由于column的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但是在計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)只需要計(jì)算2個(gè)最大閉環(huán)的扭轉(zhuǎn)剛度，其他閉環(huán)的影響剛度較小，如圖5所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算Fig.5 Calculation of torsional stiffness

Iyy，Izz慣性矩的計(jì)算，可以通過(guò)簡(jiǎn)單力學(xué)公式或AUTOCAD畫(huà)出的船體結(jié)構(gòu)的閉合區(qū)域，可以方便地求出截面的慣性矩。

通過(guò)這些相關(guān)參數(shù)的求取，可以使得beam桿件基本具備船體截面的力學(xué)性能，不至于影響上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核。

3 載荷的施加

3.1 環(huán)境載荷

在AQWA模型中，船體單元是面單元，如圖6所示，環(huán)境載荷是每個(gè)單元上的面壓力。在SACS模型中由于水面以下的單元模擬為beam單元，需要將面單元上的壓力轉(zhuǎn)換到桿件短點(diǎn)的集中力，其原理如圖7所示。將AQWA模型中每個(gè)單元的面壓力f1，f2等找到SACS中對(duì)應(yīng)beam單元最近的點(diǎn)，所有單元合理匯總到節(jié)點(diǎn)上得出合理F，同時(shí)若有微小的距離則會(huì)產(chǎn)生彎矩M。對(duì)應(yīng)所有AQWA單元的所有面壓力匯總到beam單元的節(jié)點(diǎn)上之后，所有的環(huán)境力荷載則完整的傳遞到SACS模型中，但此時(shí)傳遞到SACS模型中的所有環(huán)境力只是帶了相位的一個(gè)時(shí)刻的每個(gè)單元所受到的環(huán)境力，在SACS環(huán)境文件中在每隔30°相位進(jìn)行1個(gè)工況計(jì)算，即360°相位分為12個(gè)工況計(jì)算，則涵蓋一個(gè)波浪完整周期通過(guò)浮體每個(gè)單元的情況，保證了每一個(gè)單元所受到的環(huán)境力都能取到峰值[3-5]。

在傳遞了環(huán)境面壓力的同時(shí)，還需要把整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也模擬在SACS模型中。在AQWA計(jì)算中，在輸出每個(gè)單元的面壓力的同時(shí)，也會(huì)輸出不同設(shè)計(jì)波不同浪向?qū)φw模型重心處參數(shù)的加速度，表1為不同波浪入射方向的整體加速度。整體加速度加在模型的重心處（COG），如圖8所示。

圖6 AQWA模型Fig.6 AQWA model

圖7 載荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Corresponding relation of load

圖8 重心處的加速度Fig.8 Acceleration of COG

由于在頻域分析中和時(shí)域分析中加速度存在部分差異，如果時(shí)域分析中的加速度比頻域分析的加速度要大，需要在SACS的計(jì)算模型中補(bǔ)充兩者加速度的差值，保證組塊所受到的加速度是較大值。

3.2 船體相關(guān)載荷

為了保證整個(gè)系統(tǒng)的重量分布一致，在船體模型簡(jiǎn)化完成之后，船體相關(guān)的質(zhì)量也需要恢復(fù)。

壓載水的質(zhì)量：需要根據(jù)船體實(shí)際的壓載艙的布置以及壓載水的量來(lái)施加壓載水的質(zhì)量。

存儲(chǔ)物質(zhì)量：在船艙中，除了壓載水，通常還存儲(chǔ)其他物質(zhì)。在計(jì)算的過(guò)程中也需要根據(jù)實(shí)際情況考慮相關(guān)的重量。本計(jì)算考慮的重量主要包括凝析油、污油水、淡水、柴油等的質(zhì)量。

表1 不同波浪入射方向的整體加速度Tab.1 The acceleration of the incident direction in different waves

船體的質(zhì)量：由于船體模型是通過(guò)BEAM桿件簡(jiǎn)化模擬的，因此船體的質(zhì)量也需要考慮，通常將beam桿件的密度設(shè)為0，同時(shí)按照船體的質(zhì)量分布情況將船體質(zhì)量相應(yīng)的分配到各個(gè)點(diǎn)上，保證最終的重量重心與原來(lái)的一致。

系泊和立管的質(zhì)量：系泊纜和立管的質(zhì)量也需要加在對(duì)應(yīng)的位置。

3.3 組塊荷載

組塊的荷載與固定式平臺(tái)的組塊的荷載一致，通常包括機(jī)械、配管、活荷載等、未模擬的附屬結(jié)構(gòu)荷載等，依據(jù)實(shí)際情況，總圖的布置施加相應(yīng)的荷載。為了取保計(jì)算的保守性也防止項(xiàng)目后期有變更，通常最后會(huì)施加一項(xiàng)相對(duì)合理的余量。通常為了計(jì)算方便，最后可以將不同的荷載按照功能需求的不同組合，本實(shí)例組塊荷載如表2所示。

表2 組塊施加的荷載Tab.2 Topside load

4 SACS的計(jì)算流程

4.1 分析工況

本項(xiàng)目在位分析選取2種工況進(jìn)行分析。

1）1-Year Cyclone：1年的颶風(fēng)工況，操作工況。

2）100-Year Cyclone：100年的颶風(fēng)工況，極端環(huán)境工況。

按照API RP 2A的要求，極端環(huán)境工況桿件的需用應(yīng)力可以放大1/3[6]。

4.2 邊界條件

組塊合攏達(dá)到在位條件的過(guò)程如下：首先組塊通過(guò)吊裝在烏內(nèi)與船體合攏，如圖9所示。組塊的主腿通過(guò)插尖導(dǎo)向與船體合攏（插尖見(jiàn)圖10），輔助腿直接坐在船體立柱頂部。組塊與船體對(duì)接完成并完成焊接之后吊裝火炬臂（見(jiàn)圖11），完成火炬臂的焊接，將半潛平臺(tái)拖到現(xiàn)場(chǎng)，安裝錨鏈（見(jiàn)圖12），達(dá)到在位條件。

圖9 組塊吊裝與船體合攏Fig.9 Integrated topsides and hull

圖10 船體上與組塊主腿對(duì)接的插接Fig.10 Cone between the main leg of topside and hull

圖11 吊裝火炬臂Fig.11 Flare boom lifting

圖12 半潛平臺(tái)就位后完成錨鏈系泊Fig.12 Mooring of a semi submersible platform

達(dá)到在位條件之后，整個(gè)系統(tǒng)的邊界通過(guò)彈簧模擬。

由于SACS的校核是線(xiàn)性疊加，按照組塊的實(shí)際合攏達(dá)到在位的過(guò)程，計(jì)算可以分為3步。

步驟1：計(jì)算船體與組塊的初始干重產(chǎn)生的應(yīng)力；

步驟2：計(jì)算安裝火炬臂對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力；

步驟3：計(jì)算環(huán)境力和設(shè)備操作重產(chǎn)生的應(yīng)力；

最后將三者的應(yīng)力疊加得到結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力情況。

由于在3步計(jì)算過(guò)程中，前兩步是合攏安裝過(guò)程，局部的邊界條件不一樣，步驟1～步驟3時(shí)的局部邊界說(shuō)明如表3～表5所示。

表3 步驟1時(shí)局部邊界說(shuō)明Tab.3 Local boundary description for step 1

表4 步驟2時(shí)局部邊界說(shuō)明Tab.4 Local boundary description for step 2

表5 步驟3時(shí)局部邊界說(shuō)明Tab.5 Local boundary description for step 3

4.3 校核結(jié)果

通過(guò)如上分析，在SACS里對(duì)組塊桿件以及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范校核。一年一遇操作工況校核結(jié)果如圖13所示。百年一遇極端工況校核結(jié)果如圖14所示。其中百年一遇極端環(huán)境條件情況下安裝API RP 2A規(guī)范要求，需要應(yīng)力可以放大1/3。從計(jì)算結(jié)果可以看出，所有結(jié)構(gòu)梁桿件的UC值均小于1，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)AQWA和SACS相結(jié)合，通過(guò)AQWA計(jì)算半潛平臺(tái)所受到的環(huán)境力，在SACS中對(duì)半潛平臺(tái)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，并將環(huán)境力進(jìn)行載荷傳遞到SACS模型中，在SACS模型中施加適當(dāng)?shù)南辔唬瑢h(huán)境力的大小以及其隨著波浪周期的變化完全恢復(fù)到模型中，使得在SACS中校核組塊桿件成為可能。充分應(yīng)用了SACS軟件集成行業(yè)規(guī)范的優(yōu)點(diǎn)，為半潛平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核提供了一種方法，提高了設(shè)計(jì)工作者的效率。同時(shí)，在SACS中計(jì)算桿件強(qiáng)度時(shí)依據(jù)實(shí)際的組塊建造合攏過(guò)程，進(jìn)行了分步計(jì)算，使得計(jì)算結(jié)果更為合理。

圖13 操作工況桿件校核結(jié)果Fig.13 Check results of operating condition

圖14 極端工況桿件校核結(jié)果Fig.14 Check results of extreme condition