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多功能半潛式起重鋪管平臺(tái)是近年來(lái)推出的一種新穎的集起重、拆裝導(dǎo)管架平臺(tái)、鋪管功能于一體的海洋工程裝備。不同的作業(yè)模式可在海上直接轉(zhuǎn)換。由于該平臺(tái)采用獨(dú)特的U型結(jié)構(gòu)，提供了作業(yè)所需的足夠空間。本研究針對(duì)2X2000功能半潛式起重鋪管平臺(tái)，在其U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，闡述了該平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，并對(duì)該平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析作了詳細(xì)的介紹。為該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。研究中的水動(dòng)力分析及有限元分析所使用的軟件均采用DNV船級(jí)社SESAM軟件包中的相關(guān)子模塊。
半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需在總布置和性能分析完成后進(jìn)行。主要包括結(jié)構(gòu)型式、構(gòu)件布置、構(gòu)件尺寸、強(qiáng)度分析泡括總強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、局部強(qiáng)度無(wú)最終獲得滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)。選定結(jié)構(gòu)型式、進(jìn)行合理的布置后，根據(jù)構(gòu)件所受局部載荷，確定構(gòu)件尺寸，然后進(jìn)行有限元分析，以判定其是否滿足總強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求，凡不滿足要求的構(gòu)件須進(jìn)行調(diào)整。最后復(fù)核平臺(tái)結(jié)構(gòu)的重量重心，若與初始值差別較大，則需重新研究平臺(tái)的尺度。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程如圖所示。
眾所周知，總強(qiáng)度是船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。下面著重對(duì)該平臺(tái)的總強(qiáng)度分析方法作介紹。該平臺(tái)的主要構(gòu)造尺度見(jiàn)表，典型作業(yè)工況的海況條件見(jiàn)表，由于該平臺(tái)生存工況的海況條件極高，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他工況，所以考核生存工況下平臺(tái)的總強(qiáng)度，具有重要意義。如果該工況的總強(qiáng)度分析滿足有關(guān)規(guī)范的要求，則可視為驗(yàn)證了該平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。因此，本研究?jī)H對(duì)生存工況的總強(qiáng)度進(jìn)行了分析。其中波浪載荷采取短期預(yù)報(bào)，波浪譜采用TONSWAP譜，譜峰因子取3.30本平臺(tái)作為常年作業(yè)于海上油田的海洋結(jié)構(gòu)物，在其壽命期內(nèi)所遭受的載荷除了自重、起重作業(yè)載荷和靜水載荷之外，還將遭受風(fēng)載荷、流載荷和波浪載荷。這一類海洋結(jié)構(gòu)物通常采用設(shè)計(jì)波法確定波浪載荷，并且采用百年一遇的海況。此時(shí)流載荷和風(fēng)載荷與波浪載荷相比是小量，因而環(huán)境載荷只需要考慮波浪載荷的影響。采用設(shè)計(jì)波法確定半潛式平臺(tái)的波浪載荷需要計(jì)算典型波浪工況下的設(shè)計(jì)波參數(shù)被浪周期、浪向、波幅和相位。
計(jì)算中采用譜分析方法確定這些參數(shù)。根據(jù)平臺(tái)生存工況的海況條件現(xiàn)表，按照ABS《移動(dòng)式海洋平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》規(guī)定的極限波陡被高比波長(zhǎng)久獲得一系列不規(guī)則波短期海況現(xiàn)表。然后，對(duì)表所對(duì)應(yīng)的剖面載荷進(jìn)行短期預(yù)報(bào)，從中選取最大短期極值作為該剖面載荷的設(shè)計(jì)值，并結(jié)合各剖面載荷響應(yīng)的傳遞函數(shù)確定設(shè)計(jì)波參數(shù)。之后，計(jì)算平臺(tái)所在的各設(shè)計(jì)波下的運(yùn)動(dòng)與濕表面水動(dòng)壓力，并施加于平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元模型之上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。根據(jù)ABS《移動(dòng)式海洋平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》，對(duì)于常規(guī)型半潛平臺(tái)的構(gòu)造而言，應(yīng)考慮圖中特征剖面1，2上如表所示的最大波浪載荷。而該平臺(tái)為特殊的U型結(jié)構(gòu)，分析中尚應(yīng)選取圖中特征剖面2，3，4上如表所示的最大波浪載荷。在不規(guī)則海況的短期預(yù)報(bào)中，設(shè)計(jì)波參數(shù)的計(jì)算采用譜分析方法。對(duì)于生存工況，按照ABS《移動(dòng)式海洋平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》要求，其波陡為1/1各海況見(jiàn)表。在獲得了水平分離力、扭矩、縱向剪力、縱向加速度、橫向加速度、垂向彎矩、水平彎矩、橫向剖面垂向剪力、縱向剖面垂向剪力的傳遞函數(shù)后，設(shè)計(jì)波幅可用公式計(jì)算得到。
采用SESAM/PatranPre建立了本平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)的空間板梁組合力學(xué)模型。模型整體上采用粗網(wǎng)格單元，網(wǎng)格尺度取為強(qiáng)框間距，應(yīng)力敏感區(qū)如主要連接區(qū)域則適當(dāng)采用細(xì)網(wǎng)格單元。外板、艙壁板、甲板板采用板單元，縱析、橫梁、縱骨、艙壁扶強(qiáng)材采用梁?jiǎn)卧O(shè)備、壓載水、吊重等重量采用質(zhì)量單元。整個(gè)模型包括47309個(gè)節(jié)點(diǎn)及173453個(gè)單元。理想化的有限元模型和平臺(tái)實(shí)際重量的差異，可以通過(guò)調(diào)整材料密度來(lái)取得一致。設(shè)備重量、消耗品和壓載水的重量，通過(guò)相應(yīng)載況的質(zhì)量模型體現(xiàn)。對(duì)于水動(dòng)壓力和靜水壓力載荷，SESAM程序可以從三維水動(dòng)力模型中讀取數(shù)據(jù)自動(dòng)施加到有限元模型上。并且，還將船體六個(gè)自由度的慣性加速度施加到有限元模型上，以保證有限元模型的平衡。
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