CJ46自升式钻井平台结构强度计算

王钰涵，王 超

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

CJ46自升式钻井平台结构强度计算

王钰涵，王 超

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

自升式平台的结构强度是船舶与海洋工程结构物设计中的关键问题。开展自升式钻井平台强度计算工作对提高船企在海工产品上的设计能力，增强市场竞争力具有重要意义。依托上海外高桥造船有限公司承建的 CJ46自升式钻井平台项目，根据 ABS规范对平台主船体结构进行屈服强度校核，考虑自升式钻井平台在不同工况下所受的环境载荷（风、浪、流）不同，按照规范计算环境载荷，然后应用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立平台主船体三维有限元模型并计算平台主船体屈服强度，校核结果满足结构强度要求，结果显示桩腿与主船体连接处的结构应力较大，应该重点关注。

自升式钻井平台；有限元法；结构；强度计算；环境载荷

0 引言

自升式平台强度评估方法的校核准则各船级社规范均有详细介绍，国外已经熟练运用自升式平台结构总强度计算方法，而国内也对此展开了研究。国内在造的自升式钻井平台大多购买国外的设计，且大部分船厂并不具备独立开展平台总强度计算的能力。

上海外高桥造船公司在建的CJ46自升式钻井平台项目完全由本公司独立承担平台水动力性能及结构强度计算工作，独立完成该平台结构有限元强度计算对于提升船企在海工产品上的设计能力具有重要意义。

1 CJ46结构有限元模型

1.1CJ46自升式钻井平台

CJ46自升式钻井平台是一艘独立三桩腿的自升式钻井平台，平台主船体为箱形三角形结构，有三个桁架式桩腿，平台艏部一个，艉部两个，每个桩腿配有一个桩靴（见图1）。该平台主尺度见表1。

图1　CJ46钻井平台

表1　平台主尺度 单位：m

1.2结构模型的建立

1.2.1坐标系统的定义

建立整个平台有限元模型及计算的后处理工作（采用MSC.Nastran软件进行计算）。有限元模型建立的坐标系统原点在平台底部，位于0肋位、平台底板、中纵剖面三个面的交点处，取指向首部的平台纵向为 X轴正方向，取指向左舷为Y轴正向，取垂直向上为Z轴正向（见图2）。

图2　模型坐标系定义

1.2.2有限元模型建立

利用三维板、梁单元分别模拟具有复杂结构的平台主船体，甲板平台上设备质量采用质量点表达（见图3、4）。考虑到结构有限元模型在建立过程中存在一定的简化处理，故需根据装载情况调整模型重量及重心位置。1.2.3 平台材料属性

图3　CJ46自升式平台结构模型

图4　CJ46自升式平台桩腿结构模型

平台采用的高强度钢主要属性：杨氏模量E为2.1×105MPa；泊松比v为0.3；密度ρ为7.8×103g/m3，其中船体采用ABS AH36钢，屈服极限为355MPa。桩腿弦管采用拉伸强度高达770MPa的高强度钢，其屈服极限为690MPa，水平与斜撑杆屈服极限亦为690MPa。

2 环境载荷

2.1风载荷

在计算海风的作用力时，通常将风载荷作为定常力处理。ABS［1］规范中对风速有明确的要求，对自升式平台而言，正常作业工况下风速不低于36m/s，而在风暴自存工况下风速不得低于51.5m/s。采用ABS规范对CJ46自升式钻井平台进行校核，因此风压P按式（1）计算：

式中： Vk——风速；f——风压系数，根据ABS规范取0.611；Ch——高度系数，根据构件高度按照规范选取；Cs——形状系数，根据构件形状按照规范定义选取。

风力F根据规范按式（2）计算：

式中：P——风压；A ——正投影面积；

ABS规范中对系数Cs和Ch的选取有明确的表述，在计算时要考虑到不同结构不同高度导致高度系数产生变化的情况。

2.2 波浪载荷

2.2.1桩腿所受波浪力计算

2.2.1.1莫里森公式

相对于大尺度构件所用的三维势流理论而言，自升式平台的桩腿特有的几何属性更适合用莫里森公式［2］计算其波浪力，如下：

式中：U——垂直于构件轴线方向的水质点速度；U˙——垂直于构件轴线方向的水质点加速度；CM——惯性力系数；CD——拖曳力系数；A——杆件截面面积；D——构件截面的宽度或直径。

由于 CJ46自升式钻井平台的桩腿为空间布置的桁架式结构，计算时需将速度矢量进行合成，保证速度矢量的方向与空间杆件的轴线方向垂直。根据以上理论对传统的莫里森公式进行调整：

2.2.1.2惯性力系数和拖曳力系数的确定

从式（5）中可发现两个系数CD，CM对波浪力具有成倍放大或缩小的作用，也就是直接影响波浪载荷的大小，不同的剖面形状下两个系数存在很大的差异。准确地选取这两个系数计算自升式平台的波浪载荷而言有重要意义，因此CD，CM的选择须基于模型试验。

在计算CJ46自升式钻井平台桩腿的拖曳力系数时，由于弦杆属于不规则截面，而撑杆属于圆形截面，在这种情况下其波浪载荷也通常选用莫里森公式计算，但值得注意的是，此时公式中的D并不是用截面宽度或直径来计算，而是采用该段柱体投影宽度（垂直于来流方向）替代，对这种截面而言可参考毕家驹［3］的结论。

SNAME［4］对这两个系数做了详细规定，因本文主要依据ABS规范进行强度校核，在计算波浪载荷时，参照ABS规定，CD取0.62，CM取1.8。

2.2.2规则波中的波浪载荷

2.2.2.1波浪理论的选择

波浪理论主要分为线性波浪理论（即Airy波理论）和包括Stokes波理论，流函数理论，椭圆余弦波理论等几种理论的非线性波理论。线性波理论的特点是使用简单，但前提是必须满足其微幅波假设；非线性波与线性波理论相比则更能准确的描述波浪运动［5］。国内外很多学者针对每种波浪理论的适用情况都作了研究，本文根据ABS船级社的建议，采用Stokes五阶波进行平台波浪载荷的计算。CJ46自升式钻井平台作业水深≈107m，在3～22s的波浪周期范围下，0.02≤h/ gt2≤1.21，在大于10m的设计波高情况下，H/gt2＞0.004 6，可以判断出线性Airy波并不适合在本文中用于波浪载荷的计算，而选用Stokes波5阶或3阶波比较合适。

2.3流载荷

当波浪存在时，为使瞬时波面处的流速保持不变，对无波浪时的流速垂向分布进行修正（见图5）。

工程中通常认为海流为定常流动且对桩腿的作用力只有拖曳力，并沿着垂向方向线性递减［6］。在对流载荷进行计算时，设波浪速度矢量为v，流的速度矢量为vc，流的方向与波浪方向夹角为φ，其拖曳力分量为［7］：

考虑有海流影响的小构件的波浪力公式［8］：

图5　海流垂向分布

3 平台强度校核

3.1计算工况

根据规范中规定，自升式钻井平台一般处于4种工况：预压载、拖航、正常作业及风暴自存。风暴自存工况与正常作业工况的区别在于装载情况及环境载荷条件不同，两者皆是考虑一定作业水深情况下环境载荷及作业载荷对平台结构的影响，且屈服评估过程大体一致，因此只对风暴自存工况3种不同浪向角（0º、90º、180º）情况下的主船体强度进行校核。

表2　风暴自存状态准静态评估工况

3.2约束条件

平台在风暴自存的工况下，桩腿是插入泥面以下的，根据ABS规范中的要求，将泥下3m的位置处理为铰支约束。

在计算过程中另一关键约束位置是平台主船体与桩腿相连接处，在实际情况下，该位置的连接是通过齿轮和齿条相啮合传递垂向力来实现的，为了限制桩腿的转动变形，围井区还安装有上、下导向装置。平台在升降过程中，达到升降指定高度后采用锁紧装置使主船体相对于桩腿固定，锁紧处桩腿节点与主船体锁紧装置处的位移相同。考虑自升式平台在风暴自存工况下的实际情况，采用MPC（Multi Point Constrain）多点约束模拟桩腿与主船体连接处的节点约束。

3.3P-DELTA效应计算

平台在环境载荷的作用下，将会产生一个水平侧向位移δ，由于平台主船体存在较大的重力，在这种情况下，重力将会导致附加弯矩的产生并作用在桩腿上。在开展自升式平台计算的过程中，必须考虑由P-Δ效应产生的附加弯矩。

根据SNAME规范考虑到P-Δ效应的影响，并依照下式对P-Δ效应的影响进行计算：

式中：δ——线弹性一阶主船体侧向位移；P——平均桩腿轴向载荷； PE——整根桩腿的弹性临界力（欧拉力）。

3.4强度校核

屈服强度校核是考虑平台在极限环境载荷条件与极限作业条件下受到最危险组合载荷作用下结构强度是否能满足要求，结构上的应力不应超过规范中规定的许用应力，许用应力按式（13）计算：

式中： Fy——屈服极限；F. S.——安全系数。根据ABS规范选取，由于本文采用相当应力对主要结构板单元开展平台在风暴自存工况下的屈服强度评估，因此安全系数取1.1，评估结果见表3～5。

表3　Case1屈服强度评估结果

表4　Case2屈服强度评估结果

表5　Case3屈服强度评估结果

从平台的整体考虑，不连续结构、主要受力结构、本身设计薄弱的结构以及有较大外载荷作用的结构等位置都是屈服校核需要重点关注的地方，这些结构往往应力较大，容易产生屈服失效的情况。针对CJ46自升式钻井平台本身的主要特点，主船体的刚度相对于桩腿的刚度而言足够大，换言之，主船体的强度远大于桩腿的强度，因此在校核平台的结构强度时，桩腿强度才是安全性的主要问题。通过强度计算，应力较大的位置出现在主船体与桩腿相连接处，校核结果满足结构的强度要求。

4 结 语

从工程实际出发，根据规范及 CJ46自升式钻井平台规格书的基本信息对平台的结构强度评估方法进行了研究探讨，得到以下成果：

1） 完成了全船有限元模型的建立，采用了适当的简化方法，并对模型的质量重心进行了调整，使其能够更接近工程上平台作业时的实际情况，提高了计算结果的准确性，并确定了主要相连位置的关联点约束处理方法，模拟真实情况下力的传递方式，保证模型受力与实际情况相一致；

2） 对环境载荷的计算方法进行研究，确定环境载荷（风、浪、流）的计算方法，同时考虑P-Δ效应，模拟平台所处的海况环境，在此基础上确定了环境载荷的加载方法，保证环境载荷的作用与实际情况相符；

3） 完成了对CJ46自升式钻井平台主船体有限元模型的屈服强度校核，校核结果满足强度要求，并形成了一套完整的平台结构强度计算方法，该方法可用于后续自升式平台的有限元计算。

［1］ American Bureau of Shipping， ABS rules for building and classing mobile offshore drilling units［S］， 2012.

［2］ 于 昊. 非线性载荷作用下自升式平台结构强度评估方法［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［3］ 毕家驹. 近海力学导论［M］. 上海：同济大学出版社，1989.

［4］ Commentary to Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units， Technical & Research Bulletin 5-5A， SNAME［S］， 2002.

［5］ 杨曙光. 自升式平台强度评估若干问题研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.

［6］ 刘英杰. 自升式平台桩腿的受力分析［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.

［7］ 谭 美，冯 军，熊 飞. 自升式钻井平台风载荷研究［J］. 船舶与海洋工程，2014， （1）： 18-23.

［8］ 李永超，孙雪荣. 自升式钻井平台桩靴结构强度分析［J］. 船舶与海洋工程，2014， （3）： 10-14.

CJ46 Jack-up Drilling Platform Structure Strength Calculation

WANG Yu-han， WANG Chao
（Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding & Offshore Engineering Design Co.， Ltd.， Shanghai 200137）

The structural strength of the jack up platform is the key issue in the design of ship and offshore engineering structures. To carry out the strength calculation of the jack up drilling platform has an important significance for improving the design capability of offshore engineering products and enhancing the market competitiveness of shipbuilding enterprises. Based on the CJ46 jack-up drilling platform project built by Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co. Ltd.， the yielding strength of platform hull structure is checked according to ABS rules； considering the fact that the jack-up platform bears different environmental loads （wind， wave and current） under different working conditions， the environmental loads are calculated according to the rules， and the finite element software MSC. Patran/Nastran is used then to establish the platform hull 3D finite element model and its yielding strength is calculated. The calculation results show that the structure strength requirements are met and the structural stress in the connection region between the spud leg and the main hull is big， where special attention is to be paid.

jack-up drilling platform； finite element method； structure； strength calculation； environmental load

U674.38+1.03

A

2095-4069 （2016） 01-0017-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.004

2015-01-13

上海市高新技术产业化重点项目。

王钰涵，女，硕士，助理工程师，1986年生。2013年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现从事海洋工程结构设计工作。