CPOE_62自升式作业平台整船强度入级计算

图 8 桩腿与耐磨板间接触力传递方式
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总接触力为 P ,则有 :
π
P =2
β1
∫P co sβco sβbR dβ
0
π
β 2 - 1
= 2 P0 bR = 2 P0 bR
β1
∫co sβdβ
2
β 2 - 1
π -β 1 4
( 4)
得 P0 =
1 。注意 ,β 1 指由于齿条通道 2 bR (π / 4 - β 1 )
2 建立有限元模型
2. 1 模型构成 CPOE2 62有限元模型包括完整的主船体 、 桩腿 、
图 1 自升平台整船有限元模型
生活楼、 直升机平台及固桩架结构 ,其中主船体、 桩腿 结构是整船计算的主要考察对象。由于围阱区结构 强度也在整船模型中校核 ,因此对围阱区部分进行了 适当细化 ,保证围阱区所有重要的局部加强构件都在 模型中反应出来 。图 1所示为平台的整船模型。 2. 2 单元类型 平台主甲板 、 底板 、 内外围壁板 、 纵横舱壁板 、 纵 桁和强横梁的腹板 、 直升机甲板 、 生活楼甲板和围壁 板等使用壳单元 Shell181 模拟 , 承受波流载荷作用
工况 正常作业 风暴自存 风速 /m s
36. 0 51. 5
-1
图 2 预压工况时液舱的加载情况
表 1 作业和自存工况的海洋环境参数 波高 /m
7. 5 9. 3
波浪周期 / s
9. 6 9. 6
表面流速 /m s - 1
1. 286 1. 286
冰载荷 无冰期作业 无冰期作业
在施加环境载荷时 , 总是假定风 、 浪、 流的作用 方向一致 。平台强度分析考虑了几种典型的环境载 荷作用角度 ,具体如图 3 所示 。由于平台结构基本 左右对称 ,因此只考虑环境载荷作用于平台右舷侧 。
Targe170 与 Conta175 模拟 。桩腿与主体之间通过
上导向环传递水平力 , 故将同样高度处桩腿节点与 固桩架节点水平位移约束为相同 , 同样使用上述接 触单元模拟 。另外 ,作业和自存工况下 ,桩腿在波流 — 17 —
上海造船 2008 年第 2 期 (总第 74 期 )
作用下产生弯曲而与船体围阱区下段的圆筒发生靠 碰 ,从而产生力的传递 ,考虑采用 Coup ling /RBE3 耦 合模拟 ,详见下文 3. 4。
1 概 述
CPOE 2 62 自升式作业平台用于海上修井作业 , 能对水深 4. 5 ～40 m 范围内泥砂质海底或类似海域 的油 、 气、 水井进行修井作业 。平台主船体呈三角 形 ,带 3 个直径 3 m 的圆柱形桩腿 ,桩腿下端设桩靴 支撑 。 CPOE 2 62 按 CCS现行规范和规则设计 、 建造和 检验 ,由 708 研究所承担设计 。用有限元计算校核 了平台整船强度以及桩靴 、 起重机基座 、 直升机平台 等局部结构强度 。计算方法主要依据参考文献 [ 1, 2 ] ,考虑了作业 、 自存 、 预压 、 拖航 4 种工况 。计算 软件选用 ANSYS。
4 桩腿屈曲强度校核
桩腿作为平台的最重要的支撑结构 , 除了满足 强度要求外 ,还必须严格满足屈曲稳定性要求 ,并且 保证一定的余量 。结构屈曲校核涉及参数众多 , 限 于篇幅这里不再列出 ,详见文献 [ 1 ]。 进行桩腿强度校核时 , 由轴向压缩引起的桩腿 整体侧向位移所引起的二次力和弯矩应加以考虑 , Δ效应 : 并按下式计入 P 2 Δ =δ 1 - P
Beam188 模拟 , 纵 桁和强 横 梁 的 面 板 使 用 杆 单 元 L ink180 模拟 , 部分设备和可变载荷通过点质量单
元 M ass21 模拟 。桩腿和平台主体的连接通过齿轮 齿条啮合系统实现 , 两者之间通过齿轮齿条传递竖 向力 ,故根据齿轮与齿条实际啮合高度 ,将桩腿节点 与固桩架节点垂向位移约束为相同 , 使用接触单元
CPO E2 62 自升式作业平台整船强度入级计算
马网扣 , 羊 卫 ( 708 研究所 , 上海 200011 )
摘要 : 按照 CCS移动平台规范进行多个工况下的 CPOE 2 62 自升平台整船有限元强度屈服和屈曲计算 。就风 、 浪、 Δ效应进 流环境载荷计算 ,桩腿与围阱区接触耦合的接触力传递模拟方法 ,平台整体侧向位移引起的二次力的 P 2 行了讨论 。建立了拖航工况下桩腿弯矩的计算简图 ,推导出桩腿弯矩计算公式后进行桩腿强度校核 。 Δ效应 关键词 : 环境载荷 ; 接触力传递模拟 ; P 2 中图分类号 : U674. 38. 03 + 1 文献标识码 : B 文章编号 : 1005 2 9962 ( 2008 ) 02 2 0017 2 06 Abstract: The yielding and buckling strength of the CPOE2 62 jack2up is calculated according to CCS mobile offshore rule. The environmental loads induced by w ind, waves and current, the sim ulation method of contact force transfer bet w een the Δ effect of secondary force caused by the p latform ’ leg and well area, and P 2 s lateral movement are discussed in this paper . The for mula for calculating leg bending moment under tow ing condition is derived by establishing a simp le figure. The leg strength is checked. Δ effect Key words: environmental load; sim ulation of contact force transfer; P 2
而不参与接触的那部分对应的角度 。 本计算 ,采用 ANSYS的 Coup ling /RB E3 模拟各 工况 的 接 触 力 分 布 , 即 将 接 触 力 按 节 点 力 传 递 。 RBE3 实质是一种多点约束 。将桩腿节点作为主节 点 ,将耐磨板的各个节点作为从节点 ,需要确定各个 从节点分配得到接触力的比例系数 fi ,Σfi = 1。上面 已得到力的分布 P0 的值 ,按各个接触面上从节点的 空间坐标及相邻单元面 , 确定其受到的集中力 Fi , 那么比例系数即可按下式确定 :
马网扣等 : CPOE 2 62 自升式作业平台整船强度入级计算
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图 6 0 ° 角时波流载荷合力的时历分布
图 4 确定平台适用的波浪理论
DH36 级厚耐磨板 ,与桩腿间隙 12 mm ,如图 7 所示 。
式中 ρ 为海水密度 , kg /m ; CD 为垂直于构件轴线的 拖曳力系数 ,取 1. 2; CM 为惯性力系数 ,取 2. 0; D 为 圆形构件直径 , m; u 为波浪水质点的速度矢量与海 流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量 ; d u / d t为垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加 速度分量 。图 5 表示 ANSYS 中波速与流速的叠加 方式 ,当 KCRC = 1 时 , 流速的处理方式与文献 [ 1 ] 的要求一致 。
作业和自存工况下平台承受的载荷包括固定载 荷、 可变载荷和环境载荷 。固定载荷主要包括结构 自重和设备载荷 ,其中结构自重由模型自动实现 ,设 备载荷则通过调整材料密度和在相应位置施加偏心 的点质量单元实现 。可变载荷主要包括液舱的装载 以及修井载荷 ,其中液舱载荷通过在相应舱室施加 压力载荷实现 ,其余载荷通过在支撑结构上施加点 质量单元或集中力实现 。图 2 所示为预压工况时液
图 3 环境载荷作用方向设定示意
3. 2 风载荷计算
根据文献 [ 1 ] ,风压 P 按照下式计算 :
P = 0. 613V
2
Pa
( 1)
式中 V 为设计风速 , m / s。 作用于杆件上的风力 F 按下式计算 :
F = Ch CS S P kN ( 2)
式中 : P 为风压 , 按 ( 1 ) 式计算 ; S 为受风杆件的正投 2 影面积 , m ; Ch 为暴露在风中杆件的高度系数 ; CS 为暴露在风中杆件的形状系数 。 平台的风载荷按照 3 种方式施加到模型上 : ① 对于平台主体外围壁 、 生活楼外围壁等板结构 , 按 ( 1 )式计算的风压施加到模型上 ; ② 对于桩腿 、 直升 机平台支撑等杆结构 , 按 ( 2 ) 式计算的风力施加到 模型上 ; ③ 对于悬臂梁 、 起重机等没有直接建模的构 件 ,将计算得到的风载荷通过支反力施加到相应支 撑结构上 。 3. 3 波流载荷计算 [1] 根据图 4 确定适合的波浪类型 。图中横坐标 2 h / gT 为无因次相对水深 , h 为平均水深 , T 为波浪 2 周期 ; 纵坐标 H / gT 为无因次波陡 , H 为波高 。图中 虚线与点划线交点分别表示自存与作业工况对应的 波浪理论 ,均可采用 Stokes 5 阶波 。 平台桩腿直径与设计波长之比 D /L 为 < 0. 2, [3] 桩腿的波浪载荷可按 Morison 公式计算 。ANSYS 的 Pipe59 单元具有直接求解 Morison 波浪载荷的功 能 ,通过叠加流速与波速而一起考虑波流载荷 ,计算 公式如下 : ρ πD 2 d u ( 3) F = CD D u | u | + CMρ 2 4 dt
2. 3 边界条件
舱的加载情况 。环境载荷包括由风 、 浪、 流引起的载 荷 。作业和自存工况的水深取 40 m ,气隙 8 m ,海洋 环境参数在表 1 中列出 。
平台着底状态时 ,参照文献 [ 1 ]确定边界条件 , 取桩腿海底泥面以下 3 m 处简支 。
3 作业和自存工况计算
3. 1 加载工况及工况组合
第一作者简介 : 马网扣 ,男 ,工程师 。 1978 年生 , 2003 年天津 大学船舶设计专业毕业 , 现从事船舶及海洋 工程设计研究工作 。
的桩腿部分使用管单元 Pipe59 模拟 ,泥线下以及波 面以上的桩腿部分使用管单元 Pipe16 模拟 ,平台纵 骨、 舱壁扶强材 、 直升机平台撑杆等使用偏心梁单元
3
Байду номын сангаас
作业 、 自存工况时桩腿在设计环境载荷的作用下 ,将 发生弯曲变形而与围阱区下段的厚耐磨板产生接 [4] 触 。严格讲 , 这是非线性过程 , 但考虑到桩腿的 刚度远小于平台主体的刚度 , 因此可认为接触是紧 密的 ,即两者贴合在一起 ,不发生相对滑动 。桩腿与 围阱区下端间由于接触 , 桩腿受到的环境力将传递 到厚耐磨板接触面上 , 进而传递到平台主结构上 。 这里假定一种比较好的接触力传递方式 , 即接触力 按余弦方式传递 ,如图 8 所示 ,图中 b表示接触面高 度 , P 表示水平力 。
图 7 围阱区下端厚耐磨板
图 5 波浪与海流共同作用计算波流力
平台的波流载荷是时间变量 , 需要确定 3 个桩 腿的波流载荷合力达到最大值对应的时刻 。图 6 所 示为自存工况下 0 ° 角时平台的波流载荷合力的时 历分布 ,最大合力出现在 2. 52 s,相应地取该时刻的 波流载荷进行整船准静态分析 。 3. 4 桩腿与围阱区下段间力的传递 围阱区 下 端 设 有 高 600 mm , 厚 度 50 mm 的 上海造船 2008 年第 2 期 (总第 74 期 )
fi = Fi / P ( 5)
图 10 首部围阱区合成应力最大值
图 9 所示为环境载荷 0 ° 角时桩腿与围阱区间 RBE3 连接定义的图形显示 。
图 11 船体结构合成应力最大值
工况下桩腿的支反力 , 需要提取桩腿绞支点的约束 力进行桩腿支反力校核 。限于篇幅 ,具体数值略去 。
图 9 环境载荷 0 ° 角时桩腿与围阱 区间 Coup ling/RBE3 的定义