自升式平台的局部结构应力分析

自升式平台的局部结构应力分析
雒强;荆昆;徐超;张兆德
【摘要】The stresses on the bulkheads of a jack-up platform which are with or without holes were calculated by finite ele-ment method.The influence of the hole shape and the strengthen methods on the local structure stresses was evaluated .The results showed that the shape and the strengthen methods can influence the stress of the structure .The stresses are lower when the shape of the hole is rectangle with arc transition at the corners .When the panel is added on the hole , the stress can be lower .The stress concentration factor will rise quickly when holes are on the pile , and the loads of the pile can also influence the stresses of the pile .%利用有限元法对自升式海洋平台纵舱壁和横舱壁上开孔前后的应力进行计算，分析开孔形状及开孔处采用不同的加强方式对局部结构应力的影响，计算得到开孔不同形状及不同加强方式时结构的应力。

在平台主体舱壁上开圆角矩形时应力较小，在开孔上增加面板可以显著降低孔边缘的应力。

平台桩腿开孔时应力集中系数急剧增加，桩腿载荷不同对桩腿受力有很大影响。

【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】6页(P190-194,197)
【关键词】自升式海洋平台;结构;应力;应力集中
【作者】雒强;荆昆;徐超;张兆德
【作者单位】浙江海洋学院船舶海洋工程学院，浙江舟山316000;中交天津港湾
工程设计院有限公司，山东青岛226071;浙江海洋学院船舶海洋工程学院，浙江
舟山316000;浙江海洋学院船舶海洋工程学院，浙江舟山316000
【正文语种】中文
【中图分类】U674.38;P751
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MSC\PATRAN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孔号应力孔形圆角矩形孔矩形孔圆形孔
①σxmax61.378.139.2σymax59.375.939.3σmax76.593.261.9②σxmax58.172. 936.2σymax54.269.935.6σmax70.786.555.6③σxmax25.733.219.0σymax27.7 35.318.0σmax33.941.828.9④σxmax11.415.38.11σymax16.418.410.3σmax17. 220.413.8
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。

图7 开孔处3种加强方式
图8 ①号孔处铅垂方向节点应力
计算①号孔处水平方向节点的应力，并与没有开孔时的平台应力进行对比，分析节点的X方向、Y方向和von Mises应力，结果见图9。

由图8可见，孔左右两侧节点的应力却比不开孔时有明显减小，但在离孔一定距离外(大约等于孔直径)应力有所增加。

这是由于结构受力特点而引起的。

计算③号和④号孔处水平方向节点的应力，并与没有开孔时的平台应力进行对比，得出节点的X方向、Y方向和von Mises应力，结果见图10。

由图10可见，孔
左右两侧节点的应力都比不开孔时有明显减小，但在离孔一定距离外的应力都有所增加。

图9 ①号孔处水平方向节点应力
图10 ③和④号孔处节点应力
以下再考虑舱壁开孔边缘上的应力。

考虑在开孔处上加面板、开孔周围利用框架进行加强和直接开孔无加强这3种情况下，计算自升式平台结构开孔边缘的应力，
对纵舱壁和横舱壁上开口附近的应力进行分析。

见图11、12。

图11 ①号孔边缘节点应力
图12 ③号孔边缘节点应力
从以上结果可以看出，在开孔的4个角上，应力明显增大；在开孔上增加面板可
以显著降低孔边缘的应力，其中，开孔加面板时①号孔边缘的最大应力比没有面板时的应力降低30%，开孔加面板时③号孔边缘的最大应力比没有面板时的应力降
低24%。

4 开孔对桩腿应力的影响分析
平台采用液压升降式，壳体式桩腿上要进行开孔，将销钉插入。

通过孔周围局部单元细化，计算孔周围的应力。

见图13。

图13 艏桩底板下第一个孔周围局部单元应力云图
图14 艏桩右侧孔周围应力
由图14可见，艏桩平台底板下右侧第1个孔周围的最大应力达到249 MPa；而
左侧第1个孔周围的最大应力仅42.3 MPa，这是由于桩腿受压和弯曲组合而造成。

在艏桩右侧开孔周围，考虑水平沿圆周方向的节点，其应力见图14a)；而铅垂方
向的节点的应力如图14b)。

由计算结果可见，孔周围水平方向节点的应力急剧增
加；而孔周围垂直方向上节点的应力却都降低。

这是由于桩腿主要承受垂直方向载荷和横向弯曲有关。

5 结论
1)自升式平台主体舱壁上的开孔对周围造成一定的影响。

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，矩形开孔时的应力值最大。

2)在沿开孔边缘节点中，在开孔的4个角上，应力明显增大；在开孔上增加面板可以显著降低孔边缘的应力。

3)平台主体舱壁上，孔周围水平方向节点的应力急剧增加；而孔周围垂直方向上节点的应力却都降低。

4)考虑开孔时，平台桩腿上的应力集中系数急剧增加，孔周围水平环向节点的应力急剧增加；而孔周围垂直方向上节点的应力却都降低。

5)由于桩腿受力不均匀，不同位置的开孔附近的应力差别很大，这取决于桩腿载荷形式。

参考文献
【相关文献】
[1] 陈昱希.半潜式钻井平台强度分析及局部结构改造[D].大连：大连理工大学，2009.
[2] 李洪成.钻井平台局部强度有限元分析研究[D].大连：大连海事大学，2011.
[3] 冯国庆,李晓宇,于昊,等.300ft自升式平台极限工况强度评估[J].船海工程，2011,40(5)160-163.
[4] 李洪涛,李晔.自升式钻井平台结构强度分析研究[J].中国海洋平台，2010，25(2):28-33.
[5] 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.
[6] 丁勇.自升式平台桩腿结构强度分析[D].上海：上海交通大学，2009.
[7] 邵永波.轴力作用下K型焊接管节点的应力集中系数分析[J].船舶力学,2010,14(4):299-108.
[8] WAN Zheng-quan, XU Bing-han. Stress concentraion factors of cutout for longgigudinal[J]. Journal of Ship Mechanics,2002,3(3):28-36.。