1．舟山中远海运重工有限公司 浙江舟山 316131
摘要：海洋的环境载荷是复杂和多变的，而海洋的坏境工况又决定着海上结构物的受力情况，海洋平台结构复杂，造价昂贵，并且在海洋中工作，长期承受风、浪、流、地震等载荷的威胁，所处的工作环境十分复杂恶劣。结构是否具有足够的强度，关系到海洋平台能否满足环境条件的要求与实现预期的功能。因此，海洋平台的强度分析是一个复杂而且重要的问题。
本文针对某海域的导管架的方案设计，基于大型结构计算软件ANSYS，充分考虑海洋上复杂的载荷条件，完成多工况下的强度分析，并得出其应力和变形规律。
关键词：导管架平台；ANSYS；环境载荷；强度分析
0 引言
导管架平台长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的作用，其结构计算的复杂性和计算的规模，应用手算分析基本上已经是无法实现了，目前广泛采用有限元分析的方法，能更为精确可靠的完成结构强度仿真计算。近年来我国的一些学者及工程技术人员对海洋平台强度分析进行了一系列的研究。许滨、申仲翰[1]利用非线性模似技术及线性分析程序的完美结台，成功地分析计算了受集中载荷作用的空间框架结构，及受静载荷和环境载荷作用下的真实导管架平台极限强度。窦培林、王辉辉[2]对渤西QK18- 2导管架平台整体和局部结构强度进行分析计算，运用MSC. PATRAN 建立QK18 - 2导管架平台整体结构计算分析有限元模型，确定了平台的环境荷载，按照规范进行荷载组合，确定结构计算分析的主要工况，计算了在各种荷载组合工况下的整体结构应力，并通过对平台整体结构应力状态的分析，选取平台应力幅值较大的典型管节点，根据美国石油协会API(American Petroleum Institute)规范对典型管节点进行了强度校核。为导管架平台的结构设计提供了分析方法。YildirimO.Bayazitogfu[3]通过对飓风后坎佩切湾平台强度的分析，提出了平台评估和修复的临时标准。Damir Smenski，Hink Wolf[4]等人通过分析海洋平台环境因素对结构强度的影响，提出了剩余强度的计算方法。
导管架平台在实际海上服役中，如果发生受力情况过载，可能会导致整个平台的结构破坏，造成难以弥补的后果。本文针对某海域的导管架的方案设计，基于大型结构计算软件ANSYS，充分考虑海洋上复杂的载荷条件，完成多工况下的有限元分析，评价构件的应力，保证结构具有足够的强度。另外，根据计算获得结构位移评价结构刚度，保证结构具有足够的刚度，防止结构放生较大变形影响正常作业。
1 导管架平台模型
1.1 有限元模型
本文的分析对象是一座导管架式海洋平台，为八导管导管架。八根导管按矩形，并呈双斜对称布置，每行四根。平台高193m，所处位置平均水深160m。由8根呈矩形分布的桩腿与海床连接，桩腿在长度方向上最大间隔75m，最大横向间距48m。导管直径随水深变化由1.6m到3m，管壁厚度变化由40mm到80mm。平台主要尺度见表1
表1 平台主要尺寸
导管架基础部分有两部分组成：导管架和桩腿。平台材料的弹性模量E为210GPa，泊松比为0.3，材料密度为7800 kg/m3。本文分析的导管架模型定义三个单元类型：PIPE16、PIPE59和MASS21。导管架部分采用PIPE59单元，桩腿部分采用PIPE16单元，平台顶部的质量单元采用MASS21建立。主导管随着水深的增加所采用的钢管分别为Φ1600x40，Φ2000x40，Φ2200x45，Φ2400x45。桩腿为Φ3000x80，Φ3000x54。主导管之间由斜撑钢管连接。所用钢管共有11种类型，具有不同的直径与壁厚。相关钢管构件的截面尺寸见表2。
表2 导管架构件截面尺寸
该导管架平台有限元模型如图1所示，其坐标系原点位于导管架平台顶端以下18m的静水面处，即导管架矩形中心。根据导管架所用材料，分别定义PIPE59、PIPE16、MASS21三个单元类型。并根据实际的尺寸需要，分配各杆件的材料属性，并对其进行网格划分。
图1 导管架平台有限元模型
1.2 环境载荷及工况分析
为了计算结构的响应，获得构件的内力与结构位移，本文导管架结构载荷的选取应按照对结构产生最严重影响的载荷进行，其主要承受的载荷包括功能载荷和环境载荷。
功能载荷考虑结构自重、甲板设备重量，甲板上的设备载荷简化为质量单元，总质量为8000t。另外，环境载荷还包括波浪载荷与流载荷（选取二者为同一入射方向），并考虑浪和流的不同入射角，确定导管架平台在正常工作环境以及极端恶劣海况下的多种工况。载荷组合的原则为：平台自重+甲板载荷+正常工作环境载荷/极限环境载荷。
根据载荷组合原则与强度校核方法，本文的载荷组合工况如下：
工况1：平台自重+甲板载荷+流载荷+正常作业波浪载荷沿X轴方向
工况2：平台自重+甲板载荷+流载荷+正常作业波浪载荷沿X轴45o方向
工况3：平台自重+甲板载荷+流载荷+正常作业波浪载荷沿Y轴方向
工况4：平台自重+甲板载荷+流载荷+风暴自存波浪载荷沿X轴方向
工况5：平台自重+甲板载荷+流载荷+风暴自存波浪载荷沿X轴45o方向
工况6：平台自重+甲板载荷+流载荷+风暴自存波浪载荷沿Y轴方向
2 载荷计算
2.1 波浪载荷计算
海洋中，波浪的产生是随机的，因此通过对海况的长期统计，利用概率统计理论来研究波浪。本文选用英、荷、美、德等国家的有关单位进行“联合北海海浪计划”（Joint North Sea Wave Project，简称JONSWAP），对海浪进行系统的观测与研究所提出一种波浪谱JONSWAP谱。
式中：
——能量尺度参量；
——谱峰升高因子；
——谱峰频率；
对于平均的JONSWAP谱：
本文随机波浪谱选取JONSWAP谱，正常作业状态下有效波高Hs=10m，波浪周期Ts=8s，风暴自存状态下Hs=11.32m，Ts=8s。基于线性波理论，利用Morison公式计算波浪力，并用MATLAB进行计算，得到正常作业状态下最大波浪力6.92e05N，风暴自存状态下波浪力9.42e05N。
2.2 海流载荷计算
海洋中的水流一般包含两部分：潮流和风海流。结构的设计流速应取为所在海域可能出现的最大流速，也就是最大潮流与最大风海流的流速之和。影响海流力大小的因素有：潮流流速沿深度方向的分布；潮流的流向；结构物的形状与尺寸；以及伴流的波浪。海流流速应由海域的实测资料确定。实际工程中，常假定海流是稳定的流动，并不伴随波浪，则海流载荷即可用以下公式计算：
式中： ——海水密度，t/m3；
CD——海流拖曳力系数；
u ——设计流速，m/s；
A ——构件在与流向垂直的平面上的投影面积，m2；
本文拖曳力系数CD取与波浪力计算中同样的值，取海水密度为1025kg/ m3，海面处海流速度 u=1.5m/s，对于流速的垂直分布，取海底泥线处的速度为零，流速沿深度成线性变化。根据公式计算出不同深度结构所受海流力，并把这些力分布在主导管的节点上。本文以X方向，45度方向，Y方向的海流为代表进行计算，不同深度的节点所承受海流力。
3 导管架强度分析
利用有限元分析软件ANSYS求解导管架平台结构受复杂载荷作用下的结构响应，获得构件的内力与结构位移。基于规范应力衡准，校核结构是否具有足够的强度。另外，根据计算获得结构位移评价结构刚度，确定结构是否具有足够的刚度，保证导管架平台的正常作业。
根据第二章所计算的环境载荷以及工况组合，把载荷施加到导管架的有限元模型上，其中波浪载荷以集中力的形式施加到主导管海平面处的节点上，流载荷也以集中力形式分段施加到主导管的不同节点上。同时定义重力载荷和边界约束条件，约束 8根桩腿底部全部自由度，完成求解计算，并在后处理中绘制结构节点位移等值线云图，单元应力等值线云图以及剪切应力图。六种不同工况下，结构的最大变形、最大应力与剪力见表3。
表3 导管架构件截面尺寸
从表中可以得出，最大应力出现在风暴自存状态，45o入射方向，应力为119MPa，最大位移在风暴自存状态，沿X方向，最大值为12.43cm，最大剪切应力出现在风暴自存状态，45o入射方向下，剪应力为6.13MPa。
4 导管架强度校核
本文按照API-RP2A规范对导管架强度进行校核，它的许用应力标准主要基于AISC关于钢结构建筑物设计、制造与安装规范中的要求。
本文中导管架平台所用的钢为Q235，其屈服强度为235MPa，参考API规范，可以计算得：
局部屈曲许用应力为235MPa；
弯曲许用应力为177MPa；
剪切许用应力为94MPa；
对泥线以下的桩：
从计算结果可知，导管架平台的设计强度满足API的规范要求。从应力分布云图可以得到，在导管架的节点处应力较大，属于应力集中区。因此，在导管架的制造时，管节点处应采用高强度钢或增加弦杆管壁厚度来增加结构抵抗力。从各个工况下的应力分布图中可以看出，应力从导管架顶部随水深增加逐渐增加，并且最大应力点出现在桩腿上，这与导管的直径与壁厚随水深的变化是对应的，从而使结构在工作中具有能够抵抗环境载荷的能力。从六种工况的位移图可以看出，平台顶部位移较大，最大位移发生在工况4下。
5 结论
海洋平台结构复杂，造价昂贵，并且在海洋中工作，长期承受风、浪、流、地震等载荷的威胁，所处的工作环境十分复杂恶劣。结构是否具有足够的强度，关系到海洋平台能否满足环境条件的要求与实现预期的功能。因此，海洋平台的强度分析是一个复杂而且重要的问题。
本文应用ANSYS软件建立导管架平台的有限元模型，施加环境载荷，计算了不同工况下的应力分布，得出了一系列的应力位移响应云图，分析知最大应力点出现在桩腿上，最大位移发生在工况4下的平台顶部位。
参考文献：
[1]许滨，申仲翰. 海洋导管架平台极限强度分析. 海洋工程，1994,12（3）：8-16.
[2]窦培林，王辉辉. 江苏科技大学学报（自然科学版）. 2008年04期.
[3]Yildirim O. Bayazitoglu .Assessment and Repair of Offshore Platform Applications to Bay of Campeche Facilities. Journal of Offshore Mechanics and Artic Engineering,2000,122（8）：81-92.
[4]Damir Semenski ,Hinko Wolf .Risk Assement of Structure Element of the Offshore Gas and Oil Platform .22nd DANUBIA—ADRIA Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics ,2005,3（21）：113-118.
论文作者:肖龙云
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/7
标签：载荷论文; 导管论文; 结构论文; 平台论文; 工况论文; 应力论文; 波浪论文; 《防护工程》2018年第7期论文;