自升式平台的局部结构应力分析

2014-06-27 00:52，，，

船海工程 2014年3期

，，，

(1.浙江海洋学院船舶海洋工程学院，浙江舟山 316000; 2.中交天津港湾工程设计院有限公司，山东青岛 226071)

海洋平台结构庞大、系统复杂，在设计过程中往往考虑主要因素，忽略一些次要因素。如结构的开孔，在直接计算过程中一般不考虑，但在实际中，由于开孔的影响，会导致在孔附近发生应力集中现象。另外结构内部的裂纹，也会导致结构应力强度减弱。上述这些问题，在一般情况下不会直接对结构造成严重影响。但由于海洋平台要长期处于海洋环境中，在极端海洋环境条件下，上述问题可以会持续发生;而且，如果发生在平台的主要构件上，可能会导致平台失效，从而严重威胁人员生命安全并造成重大的经济损失。对于海洋结构物的应力集中问题[1-8]，现有成果的主要研究对象为平台桩腿、平台整体及平台与桩腿连接处，针对自升式平台主体的舱壁开孔的应力集中问题研究很少。本文利用有限元法，计算分析自升式海洋平台纵舱壁和横舱壁上开孔前后的应力及其影响。

1 自升式平台结构的有限元模型

以胜利作业七号自升式平台为例进行研究。胜利作业七号自升式作业平台是一艘独立桩腿的自升式海洋平台，钢质非自航，结构由平台主体、桩腿和升降系统三部分组成,见图1。平台主体为三角形箱形结构，带有悬臂梁系统。平台型长39 m、型宽36 m、型深4.6 m。平台设三根圆柱形桩腿(带桩靴)，艏一艉二，桩腿长60 m、直径2.5 m。桩腿底部带有5.7 m×5.7 m×1.6 m的正八角形桩靴。平台主体甲板划分为：船艏生活区、船舯工程设备区和船艉作业区。平台的主要任务是在水深40 m范围内的渤海湾海域进行海上作业。

图1 胜利作业七号平台总布置

利用MSCPATRAN建立平台的有限元模型，见图2。

图2 平台结构的有限元模型

在平台纵舱壁和横舱壁上开孔，①号孔为右距中5 000 mm纵舱壁开孔；②号孔为左距中5 000 mm纵舱壁开孔；③号孔、④号孔分别为51#肋位横舱壁右孔、左孔。开孔形状为圆角矩形，规格为1 650 mm×800 mm，圆角半径为180 mm，见图3。对开孔处局部单元进行细化，见图4。

图3 平台主体纵横舱壁上的开孔位置

图4 纵舱壁上开孔的局部单元细化

该平台主体节点数23 846个、单元数48 842个；桩腿用壳单元模拟，桩内进行纵向加强；桩腿上的开孔直径为300 mm、孔间隔为1 500 mm，孔周围进行局部单元细化，见图5。

图5 桩腿开孔的局部单元细化

桩腿上的节点数为89 083个、单元数92 322个，其中壳单元88 962个、梁单元3 360个。平台与桩腿之间采用MPC连接，每根桩腿使用3个MPC与平台相连接。

利用莫里森公式，计算得每根桩腿的波浪力为660 kN,平台风载荷总和最大为1 498 kN。其中波浪力平均分布在桩腿上，风载荷平均分布在平台的受风面上。利用NASTRAN，计算平台在自存状态下的局部应力。

2 不同开孔形状对应力的影响

考虑开孔的形状为圆角矩形、矩形孔和圆形。孔的规格分别：①圆角矩形1 650 mm×800 mm，圆角半径180 mm；②矩形1 650 mm×800 mm；③圆形，直径1 650 mm。见图6。

图6 三种开孔的形状

计算开孔为不同形状时，孔周围节点的最大应力，①号、②号、③号和④号孔上的最大应力对比情况见表1。

表1不同形状时应力的最大值 MPa

由表1可见，开孔为圆角矩形时的应力值明显小于矩形孔时的应力；开孔为圆形时的应力值最小，矩形开孔应力值最大。

3 开孔后不同加强结构应力分析

考虑开孔处采用增加面板、周围框架加强和直接开孔无加强时(见图7)，计算开孔处铅垂方向上节点的应力，并与没有开孔时的平台应力进行对比。在①号孔铅垂方向取节点，分析节点的X方向、Y方向和von Mises应力，结果见图8。由图8可见，孔上下两端节点的应力比不开孔时有明显增大，而且，开孔边缘增加面板时的应力为最小。