拖航状态的自升式平台桩腿强度分析

孙雪荣

（中国船舶及海洋工程研究设计院 上海200011）

拖航状态的自升式平台桩腿强度分析

孙雪荣

（中国船舶及海洋工程研究设计院 上海200011）

为实现拖航状态的自升式平台桩腿强度分析，借助DNV系列软件包，以频率响应分析的方法对自升式海洋平台拖航状态时的横摇和纵摇固有周期进行了计算；以频响分析中各相应固有周期的RAO值和相关规范规定的6度单幅横摇或纵摇值确定拖航的计算波高，并进行拖航状态时的准静态结构分析；最后采用API-AISC-WSD软件来完成桩腿自身结构的屈服和屈曲强度校核，从而为自升式平台确定恰当的桩腿系固和拖航方案提供依据。

固有周期；结构强度；拖航状态；有限元法

引 言

自升式海洋平台主要由平台主体结构、桩腿、升降结构、钻井机构等组成。拖航状态时，整个桩腿收回，平台重心较高，桩腿的摇摆和风倾力矩较大，拖航稳性较差；桩腿的动弯矩和自身惯性载荷对升桩机构室附近的桩腿自身结构和升桩机构的上导向板结构产生较大的应力。本文希望通过对自升式平台拖航状态的桩腿结构强度和分析流程研究，为自升式平台前期设计方面诸如桩腿结构和升桩结构室等提供依据。

文中借助DNV系列软件包（GENIE、PATRANPRE、HYDROD、WADAM、SESAM MANAGER等），首先以频率响应分析的方法对自升式海洋平台拖航状态时的横摇和纵摇固有周期进行了计算；其次，以频响分析中各相应固有周期的RAO值和规范［1］规定的6°单幅横摇或纵摇值，确定了拖航的计算波高；最后进行拖航状态时的准静态结构分析，依据API-AISC-WSD软件进行桩腿自身结构的屈服和屈曲强度校核。

1 计算模型简介

文中的计算模型基于某平台处于油田拖航的装载为计算工况，桩腿结构分析应考虑平台的运动状态及其惯性力，油田拖航状态下仅考虑平台在横摇或纵摇固有周期下的6°单幅运动载荷及1.2倍的自身重力载荷［1］，该平台的拖航分析模型和平台的桩腿结构图参见图1和图2。

图1 拖航分析和质量分布模型

图2 桩腿结构示意图

2 平台拖航状态计算

本文并没有对海上结构物拖航作业中的运动响应计算、波浪载荷计算及准静态分析等所涉及的理论和原理进行详细的阐述（这些均可参见相关的理论书籍、船级社规范和DNV系列软件用户手册等），只是针对平台拖航状态尝试和探索使用DNV系列软件包进行拖航运动固有周期计算、波浪载荷计算及传递、拖航准静态分析以及API-AISC-WSD方法的屈服和屈曲强度校核。

2.1 拖航运动固有周期计算

图3 拖航湿表面模型示意图

图4 拖航状态的结构有限元模型

平台拖航运动固有周期的计算借助频率响应分析的方法完成。频率响应计算的湿表面模型见图3，质量分布及结构模型见图1和图4，扫描周期为2 s～25 s、浪向0°～345°的所有单位波［3-4］，由WADAM进行运动响应直接计算，计算中的临界阻尼取为0.07；借助后处理程序POSTRESP得到平台拖航的横摇频率响应曲线和纵摇频率响应曲线，见图5和图6。

图5 平台横摇响应曲线

图6 平台纵摇响应曲线

鉴于自升式平台主体结构为特殊的三角形型式，在平台纵摇响应曲线中可看到随不同浪向角的变化，平台自身纵摇固有周期会改变；本文在此并不进行展开，只是根据图5和图6确定常规横摇运动和纵摇运动的环境载荷参数，见表1。

表1 拖航环境载荷参数的确定

表1中的浪向定义：由尾部指向平台首部为浪向0°，其余浪向依次逆时针旋转。

2.2 拖航运动载荷计算

确定平台拖航的固有周期和RAO后即可确定规范中6°单幅运动固有周期对应的波高、横摇和纵摇固有周期下6°单幅运动的波高分别为1.7 m和3.8 m，桩靴和主船体及升桩机构室均做简化处理，有限元分析的结构和质量分布模型见图4。

为避免刚体位移，有限元模型选取三个不共线的节点，施加不同的线位移约束［2］，如图7所示。波浪载荷计算和传递依旧通过HRDROD、WADAM进行。

图7 边界条件示意图

在拖航运动载荷中，风、浪、流综合作用的结果是使平台产生固有周期下的6°单幅运动，所以拖航计算载荷中只考虑运动载荷和1.2倍的自身重力载荷［1］。

2.3 拖航准静态分析

由MANAGER调用波浪载荷计算的结果直接施加于结构分析模型，再调用后处理程序SESTRA进行准静态分析，分析结果通过FRAMEWORK进行API-AISC-WSD方法屈服强度和屈曲强度校核。

3 计算结果分析

横摇运动和纵摇运动下升桩机构室的上导向板附近的桩腿UC值较大，UC值大于0.65的屈曲稳定性分布图参见图8；计算结果的最大UC值为0.84。

图8 纵摇运动的桩腿较大UC值分布图

自升式平台的拖航状态分析的关键在于：

（1）拖航状态下模型的自身平衡，模拟的平台质量和排水量之间的差异尽量小；

（2）确定拖航状态下的横摇和纵摇固有周期；

（3）计算和确定6°单幅运动固有周期下的拖航计算波高，临界阻尼的确定直接决定着运动响应的峰值及拖航计算波高，一般取0.03～0.07［5］，本文在此直接取0.07；

（4）准静态分析中的结构模型边界条件要合理，平台模型重力和浮力的平衡控制决定了边界条件处支反力的大小以及计算结果的相对精确性。

4 结 论

本文针对自升式平台在拖航状态下的桩腿强度进行了分析研究，没有拓展三角型平台主体形式所决定的不同浪向角下不同的纵摇周期，也并没有对升桩机构室的上导向板结构在拖航状态下的应力情况进一步校核，只是尝试和探索了使用DNV系列软件包进行固有周期计算、水动力载荷计算以及传递、结构准静态分析、桩腿结构的API-AISCWSD方法的校核，为拖航状态方案提供初始的依据，也为后续的局部构件的强度校核提供载荷数据。

本文在撰写过程中得到了我院海工部张海彬博士的指导和建议，在此表示衷心感谢！

［1］ ABS. Rules for Conditions of Classification-Offshore Units and Structures ［S］. 2012.

［2］ DNV. Recommended Practice DNV-RP-C104 Self-Elevating Units［S］. 2011.

［3］ 李辉，任慧龙，陈北燕，等. 深水半潜式平台波浪载荷计算方法研究［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2009（3）：122-125.

［4］ 张海彬，沈志平，李小平.深水半潜式钻井平台波浪载荷预报与结构强度评估 ［J］.船舶， 2007（2）：33-38.

［5］ SNAME. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units, Society of Naval Architects and Marine Engineers［M］. Technical & Research Bulletin 5-5A “Site Specific Assessment of Jack-Up Units” （1994/2002）.

Structural strength analysis of self-elevating drilling unit leg in towing condition

SUN Xue-rong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper calculates the roll and pitch natural period of the self-elevating drilling unit legs in towing condition for the structural strength analysis of legs by frequency response analysis method via DNV software package. It also calculates the wave height by the RAO value of the strength analysis of the unit legs and the 6°single amplitude rolling and pitching value in the relevant regulations, and carries out the quasi-static structural analysis in the towing condition. Finally, it checks the yield and buckling structural strength of the unit legs by API-AISCWSD, which provides the basis for the appropriate leg securing and towing scheme.

natural period, structural strength, towing condition, finite element method

U662.1

A

1001-9855（2014）01-0049-04

2013-01-20；

2013-03-01

孙雪荣（1979-），女，高级工程师,主要从事船舶结构强度分析及振动噪声研究。