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自升式平台樁靴的強度分析

發布於:2020-09-29 18:05
有限元分析

       隨著科技、經濟和社會的發展,海洋石油、天然氣勘探開發和海上風能利用日益受到關注,海洋能源利用正由近海淺水區域向更複雜、危險的深海區域發展,並逐漸形成投資高、風險大、高新技術密集的能源工業新領域,也帶動了海洋移動式平台迅速發展。   
       自升式平台是指具有活動樁腿,且其主船體能沿支撐於海底的樁腿升至海麵以上預定高度進行作業的平台,此種平台在海洋開發中被廣泛應用,整個平台的穩定性取決於其樁腿和樁靴的幾何形狀和結構形式,它克服了漂浮式工程船工作不穩定的缺點,海上作業時,樁腿站立於海底,依靠樁靴來承擔海底對平台的支撐力,船體升到水麵以上,在甲板上作業非常平穩。   
       目前,樁靴結構有限元分析計算主要使用的軟件是ANSYS和PATRAN,本文采用SACS軟件主要是因為要與樁腿強度計算保持一致,並驗證SACS軟件用於樁靴結構有限元強度分析的可行性。在DNV規範中對樁靴局部結構有最小板厚要求,結構設計要同時滿足規範要求和有限元強度計算要求,所以先進行規範計算,確定滿足要求後再進行有限元計算。根據規範要求共計算四種工況,並分析了影響因素和計算方法。
       樁靴的幾何形狀是根據海底和平台自身的情況而設計,隨建造要求而變。計算模型如圖所示,底部為棱錐形,在水平麵的投影為矩形,最底端帶有錐點,用於降低在淺樁靴插人情況下(在沙土或非常硬的粘土中)平台結構滑移的風險。樁腿材料:NVE690a樁靴材料板厚小於50mm,采用NVD36;板厚大於等於50mm,采用NVE36a    有限元建模分析使用SACS 5.3軟件,對結構構件進行了適當簡化,省略了加強筋、麵板和肘板,主要是為了計算趨於安全。單元采用四邊形單元和三角形單元,並且盡可能的使用長寬比相等的四邊形單元,保持所有單元尺寸基本相等,避免出現細長形單元。樁靴內部結構和單元劃分如圖2所示。設計首先應該滿足規範關於樁靴結構的最小板厚要求,因為隻有外板的設計壓強值是已知的,所以隻能校核外底板及其加強筋的強度。由公式計算出樁靴板厚要求的最小值(計算中考慮海水腐蝕餘量),用於校核設計是否滿足要求,校核結果如表所示,與板厚校核類似,應用有限元軟件SACS 5.3計算樁靴所有結構的應力值。   
       樁靴外底板強結構處的單元節點設置為彈簧約束,彈簧強度的設置參考插靴深度,使變形在合理範圍內,為防止模型在水平方向發生位移,在水平方向也應設置彈簧約束。也可采用另一種約束方法,設置樁腿邊界為剛性固定,兩種設置方法計算結果基本相同,環境載荷已在樁腿受力計算中考慮。


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