半潛式鉆井平臺設(shè)計規(guī)范分析應(yīng)用及重要計算軟件的分析應(yīng)用

半潛式鉆井平臺設(shè)計規(guī)范分析應(yīng)用

半潛式鉆井平臺，又稱立柱穩(wěn)定式鉆井平臺。大部分浮體沒于水面下的Ji種

小水線面的移動式鉆井平臺，是從坐底式鉆井平臺演變而來的。由平臺本體、立

柱和下體或浮箱構(gòu)成。此外，在下體與下體、立柱與立柱、立柱與平臺本體之間

尚有某些支撐與斜撐連接。在下體間的連接支撐，一?般都設(shè)在下體的I上方，這樣,

當(dāng)平臺移位時，可使它位于水線之上，以減小阻力；平臺上設(shè)有鉆井機械設(shè)備、

器材和生活艙室等，供鉆井工作用。平臺本體高出水面一定高度，以免波浪的沖

擊。下體或浮箱提供重要浮力，沉沒于水下以減小波浪的擾動力。平臺本體與下

體之間連接的立柱，具有小水線面的剖面，主柱與主柱之間相隔合適距離，以保

證平臺的穩(wěn)性，因此又有立柱穩(wěn)定式之稱。

半潛式鉆井平臺的類型有多種，其重要差異在于水下浮體的式樣與數(shù)目，按

下體的式樣，大體上可分為沉箱式和浮體式兩類。NDB半潛式鉆井平臺是浮體

式平臺，兩個浮體分列左右，每個浮體上具有3個剖面圓形的立柱。為了減小平

臺在移位時口勺水阻力，浮體H勺首尾兩端具有很好口勺流線型性。圖1給出了NDB

半潛式鉆井平臺的構(gòu)造形式。

圖1NDB半潛式鉆井平臺構(gòu)造示意圖

1平臺整體有限元模型

1.1整體構(gòu)造有限元模型的建立

構(gòu)造有限元模型的建立有兩種方式：1）直接建立有限元模型：2）建立幾何

模型，再進行網(wǎng)格剖分，形成有限元模型。使用Patran軟件建立NDB整體有限

元模型時，浮體、立柱、甲板部分采用直接建立有限單元日勺措施建立有限元網(wǎng)格,

撐管部分的多種類型的管節(jié)點采用先建立幾何模型，然后剖分獲得有限元網(wǎng)格啊

措施。圖1.1和圖1.2給出了撐管部分管節(jié)點的幾何模型及對應(yīng)的有限元模型。

圖1.1幾種相交撐管日勺幾何模型圖

圖1.1幾種相交撐管日勺有限元模型圖

NDB平臺整體構(gòu)造有限元模型為空間板梁組合構(gòu)造力學(xué)模型。外板和艙壁

板等平板構(gòu)件采用四邊形和三角形殼單元來模擬；平臺骨架包括縱桁、縱骨、橫

梁和肋骨等一般采用空間梁單元來模擬；對部分尺寸較大的骨材.，腹板采用殼單

元按實際構(gòu)造尺寸來建模；對重要骨材口勺面板以及加強筋、扶強材等采用桿單元

來建模。

在整體有限元模型建立過程中，結(jié)合ABS規(guī)范日勺規(guī)定，需要遵守如下準則:

I）網(wǎng)格尺寸應(yīng)不不小于等于所示日勺縱骨間距和肋骨間距（600mm）；

2）骨材以桿和/或梁建模，根據(jù)構(gòu)造日勺變形和受力，確定骨材采用單元類型。

對于承受彎曲變形日勺骨材，采用梁建模；對于僅承受拉壓應(yīng)力日勺骨材，

采用桿建模；

3）單元要盡量飽滿，長寬比應(yīng)不超過1:4；

4）在劃分網(wǎng)格時，盡量防止三角形單元，尤其是高應(yīng)力區(qū)域和開孔周圍、

肘板連接處和折角連接處等應(yīng)力梯度大日勺區(qū)域;

5）重要支撐構(gòu)件腹板沿高度方向至少分為3個單元。

對于鉆臺、救生艇平臺、直升機甲板等構(gòu)造，其構(gòu)造強度不是進行平臺主體

構(gòu)造強度校核時所關(guān)懷的，因此在整個平臺H勺有限元模型中，可以不將上述構(gòu)造

的有限元模型建出來，對于這些部位構(gòu)造的I鋼料重量與重心位置，可以通過在構(gòu)

造對應(yīng)部位用剛性連接施加質(zhì)量單元來模擬。在本項目中，為了更精確口勺模擬整

個平臺的實際受力狀況，上述提到的某些構(gòu)造，如鉆臺、救生艇平臺、直升機甲

板，按照其實際尺寸在整體平臺模型中建出他們的有限元模型。圖1.3給出根據(jù)

上述規(guī)定NDB半潛鉆井平臺整體有限元模型。

圖1.3NDB半潛式鉆井平臺整體有限元模型圖

1.2平臺主體構(gòu)造有限元模型的調(diào)平

由于在建立平臺有限元模型時，忽視了某些小時次要的構(gòu)件，這樣有限元模

型日勺重量與重心位置和實際構(gòu)造必然存在一定的誤差，因此需要對平臺整體構(gòu)造

模型進行重量與重心位置的調(diào)整。采用日勺措施是通過修改平臺模型不一樣部位鋼

料日勺密度使其重量與重心位置和實際構(gòu)造相符，詳細調(diào)整過程見圖4o

圖1.4NDB半潛式鉆井平臺船體鋼料重量日勺調(diào)平流程圖

模型在垂向分為浮體、立柱舷臺與甲板三部分，再按總體坐標系的原點將甲

板與浮體分為4塊，即14塊分別為：甲板（船部左舷、箱部右舷、解部左舷與

艇部右舷）、1?6號立柱舷臺、浮體（艄部左舷、艄部右舷、解部左舷與解部右

舷）。有限元模型鋼料日勺重量為鋼材、涂層及焊料三部分重量之和。

1.3平臺固定設(shè)備與可變載荷重量的模擬

對于平臺的固定設(shè)備與可變載荷等，除了要考慮其重量外，還要考慮其重心

位置以及平臺有加速度時所產(chǎn)生日勺慣性力，因此通過在整個平臺的有限元模型中

對應(yīng)的位置施加質(zhì)量單元來實現(xiàn)對其重量和重心位置H勺模擬。

該半潛平臺日勺固定設(shè)備可以分為兩部分：一部分為機器設(shè)備，這部分設(shè)備在

平臺上日勺分布位置較為明確，對于這部分設(shè)備，首先確定出其在有限元模型上的

分布位置，然后通過施加質(zhì)量單元來模擬其重量分布與重心位置；另一部分重量

為管系、船體艇裝件等，這部分設(shè)備在整個平臺的分布位置非常分散，無法精確

時找到其對應(yīng)的）位置，對于這部分設(shè)備重量日勺處理措施是：首先將整個平臺日勺模

型分為14塊，與前面鋼料重量處理時口勺分塊相似，然后記錄出管系、陋裝件等

設(shè)備在這14個部位的分布重量與重心位置，最終根據(jù)記錄成果將上各部位設(shè)備

的重量通過質(zhì)量單元分散加到平臺模型時對應(yīng)部位，并保證質(zhì)量單元的重量與重

心位置與記錄值相符。

1.4三種工況下整個平臺的有限元模型

三種工況下整個平臺的重量可以分為兩部分，即空船重量與可變載荷重量。

其中空船重量又分為三部分:船體鋼料口勺重量、重量較大的機器設(shè)備重量和管系、

船體蒯裝件等詳細分布位置不明確啊固定設(shè)備的重量。

整個平臺的船體鋼料有限元模型建立并調(diào)平后，先在其上施加模擬大質(zhì)量機

器設(shè)備重量口勺質(zhì)量單元，然后施加模擬管系、船體犧裝件等設(shè)備重量的質(zhì)量單元,

這樣可以得到空船的最終模型。

在得到的空船最終模型上，分別施加三種工況下可變載荷的質(zhì)量單元，得到

三種工況下整個平臺的最終模型。由于在施加質(zhì)量單元時，盡量保證了各項設(shè)備

與可變載荷重量與重心位置口勺精確性，因此將所有質(zhì)量單元施加完畢后，可以不

對各工況下的模型再進行調(diào)平。

表3.1NDB半潛式鉆井平臺管系、陋裝件等固定設(shè)備重量分布匯總總表

平臺部位類型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

脩部

合計202.2922.258.5524.68

左舷

腦部

合計207.0721.20-7.3924.65

主右舷

甲板腥部

合計865.04-16.4611.5824.39

左舷

解部

合計911.80-8.96-8.6825.07

右舷

肺部

合計218.9229.368.0428.47

左舷

船部

合計176.5432.41-6.6228.03

中間右舷

甲板服部

合計122.41-18.3813.1025.97

左舷

解部

合計287.80-20.50-10.6527.39

右舷

腦部

合計99.8823.9311.3028.24

左舷

艄部

合計92.7431.28-23.6633.15

上右舷

甲板服部

合計145.48-21.406.4532.70

左舷

艦部

合計188.73-9.93-10.5233.37

右舷

立柱合計590.558.810.3818.44

浮體合計874.623.!0-0.442.81

表3.2NDB半潛式鉆井平臺空船各分項日勺重量與重心位置

項目WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

平臺鋼料

12196.898.210.6215.44

（包括焊料和涂層）

大型機器設(shè)備4983.88-0.26-0.1721.39

管系、曬裝件等固

4819.51-2.14-0.6128.26

定設(shè)備

合計22023.294.020.1719.59

表3.3NDB半潛式鉆井平臺管系、曬裝件等固定設(shè)備重量分布匯總詳表

平臺部位類型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

pipingsystem28.6237.6517.1224.65

pipingsupport43.3036.208.8523.61

machinery30.0516.5921.3925.53

主hulloutfitting24.3237.075.6423.77

ele0.000.000.000.00

甲1板IcA,

accommodaton2.9137.200.0025.60

?儲0即OP

ducting8.9439.008.5126.99

左舷

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable64.150.000.0025.00

合計202.2922.258.5524.68

pipingsystem83.0436.20-7.6924.07

pipingsupport16.8522.66-8.6324.16

machinery30.0516.59-18.6125.53

hulloutfitting6.4837.25-16.6424.07

—1-

ele0.000.000.000.00

中申柘供

accommodaton2.9237.200.0025.60

部

ducting3.5842.96-21.8127.08

右舷

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

主

maincable64.150.000.0()25.00

合計207.0721.20-7.3924.65

甲

pipingsystem171.79-13.7216.0123.04

pipingsupport72.84-2.4310.4323.82

板machinery30.05-33.4121.3925.53

主hulloutfitting65.20-7.699.1919.12

甲板ele461.01-22.1211.4325.57

accommodaton0.000.000.000.00

娓訃

ducting0.000.000.000.00

-左X—.>￡舷4

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable64.150.000.0025.00

合計865.04-16.4611.5824.39

pipingsystem435.57-9.97-9.6524.89

pipingsupport50.46-13.08-13.9123.78

machinery30.05-33.41-18.6125.53

hulloutfitting110.11-17.12-14.0224.07

主

ele0.000.000.000.00

甲板

accommodaton221.46-1.25-4.1126.17

解部ducting0.000.000.000.00

右舷insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable64.150.000.0025.00

合計911.80-8.96-8.6825.07

平臺部位類型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

pipingsystem51.6218.512.7727.81

pipingsupport4.01-25.8115.9329.70

machinery().000.000.000.00

中間hulloutfitting0.0()0.000.000.00

ele59.9631.0818.8930.10

中大外方

accommodaton6.8737.8018.2028.30

月融百立部“

ducting10.213工975.0129.87

左舷

insulation24.5228.2710.0027.61

furniture61.7438.400.0027.50

maincable0.000.000.000.00

合計218.9229.368.0428.47

pipingsystem52.1922.23-6.7628.22

pipingsupport7.1935.06-9.3929.23

machinery0.000.000.000.00

hulloutfitting0.(M)0.000.000.00

中1間LJ

甲板ele25.8741.13-16.7028.80

accommodaton4.1037.20-13.0028.60

fl0加

ducting0.9332.14-19.3229.84

右舷

中insulation24.5228.27-10.0027.61

furniture61.7438.400.0027.50

間maincable0.000.000.000.00

合計176.5432.41-6.6228.03

pipingsystem27.26-25.9315.6829.48

甲

pipingsupport4.01-25.8115.9329.70

machinery0.000.000.000.00

板hulloutfitting66.62-9.9313.0223.70

丁中間lwJ

ele0.000.000.000.00

甲板

accommodaton0.000.000.000.00

服Au都

ducting0.00().000.000.00

左舷

insulation24.52-31.7310.0027.61

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計122.41-18.3813.1025.97

pipingsystem55.22-28.90-10.7229.66

pipingsupport8.35-23.26-11.6329.54

machinery0.000.000.000.00

中間hulloutfitting47.58-12.91-13.3219.82

ele152.13-17.86-9.8328.77

中甲麻外？

accommodaton0.000.000.000.00

娓由EJ都?/17

ducting0.000.000.000.00

右舷

insulation24.52-31.73-10.0027.61

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計287.80-20.50-10.6527.39

平臺部位類型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

上上pipingsystem23.5529.1913.9332.61

甲板pipingsupport4.4237.367.8833.19

甲艄部machinery30.0516.5921.3931.53

左舷hulloutfitting37.8922.882.7421.82

板ele0.000.000.000.00

accoinmodaton0.000.000.000.00

dueling3.9743.254.9133.03

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計99.8823.9311.3028.24

pipingsystem14.1043.41-6.9233.20

pipingsupport2.8842.48-7.4733.27

machinery30.0516.59-18.6131.53

上hulloutfitting23.8744.68-59.4937.35

甲板ele0.000.000.000.00

accoinmodaton3.1043.80-3.0031.60

熊部

ducting18.7524.87-4.6130.59

右舷

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計92.7431.28-23.6633.15

pipingsystem9.34-47.121.6730.81

pipingsupport0.26-47.581.2230.83

niacliinery30.05-33.4121.3931.53

上hulloutfitting105.68-15.642.6033.21

0.00

甲板ele0.(M)0.000.00

accommodaton0.0()0.000.000.00

艇部

ducting0.14-31.9228.2128.55

左舷

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計145.48-21.406.4532.70

pipingsystem96.15-0.82-4.1634.27

pipingsupport8.31-0.08-3.3736.33

machinery30.05-33.41-18.6131.53

hulloutfitting44.80-17.87-20.4829.86

上ele0.000.000.000.00

甲板accommodaton2.000.000.0056.70

解部ducting7.421.30-10.8140.82

右舷insulation0.(M)0.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計188.73-9.93-10.5233.37

平臺部位類型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

pipingsystem430.178.380.5718.63

立柱

pipingsupport25.6111.06-2.7617.92

machinery34.5819.783.3617.74

hulloutfitting75.299.27-0.9217.79

ele16.35-8.72-0.0322.63

accommodaton8.568.890.0011.04

ducting0.000.000.000.00

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計590.558.810.3818.44

pipingsysieni472.454.07-0.532.24

pipingsupport29.153.09-1.122.19

machinery47.638.840.008.53

hulloutfitting230.824.11-1.072.39

ele66.98-13.292.193.57

浮體accommodaton0.000.000.000.00

ducting27.598.02-0.255.16

insulation0.000.000.000.00

furniture0.000.000.000.00

maincable0.000.000.000.00

合計874.623.10-0.442.81

三種工況下平臺粗網(wǎng)格模型的基本信息

平臺整體有限元模型總節(jié)點數(shù)為192778個，殼單元總數(shù)為213686個，桿單

元總數(shù)為180792個。

工作狀態(tài)下總單元數(shù)為409215個,其中質(zhì)量單元14737個;

自存狀態(tài)下總單元數(shù)為409173個,其中質(zhì)量單元14695個;

遷航狀態(tài)下總單元數(shù)為406284個,其中質(zhì)量單元11806個。

表3.4三種工況下平臺模型日勺重量與重心位置

工況WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)

理論值39927.819.000.0016.70

作業(yè)

模型值39915.469.030.0016.68

理論值35411.909.000.0018.92

自存

模型值35399.769.05-0.0118.92

理論值27101.807.800.0119.14

遷航

模型值27089.867.84-0.0219.13

2.平臺設(shè)計載荷的分析與計算

規(guī)范應(yīng)用等效設(shè)計波措施（EDW）設(shè)定設(shè)計載荷，包括在靜水和波浪中垂

直于板材的側(cè)向載荷及平臺梁載荷。

2.1平臺運動和加速度

2.2平臺載荷

2.3平臺載荷工況

2.4平臺的裝載工況

3屈服強度評估

3.1屈服強度分析衡準

3.1.1參照應(yīng)力

有限元分析中對于平面單元，參照應(yīng)力為單元中面中心位置的VonMise等

效應(yīng)力，對于線單元為單元軸向應(yīng)力，并考慮平臺梁載荷。

根據(jù)ABS的MODU(MOBILEOFFSHOREDRILLINGUNITS)規(guī)范，Von

Mise等效應(yīng)力的體現(xiàn)式為：

=收―。巴++3力

式中：q.、q.為單元在X、Y方向日勺正應(yīng)力；r為單元的剪應(yīng)力。

3.1.2許用應(yīng)力

根據(jù)ABS的MODU規(guī)范，許用應(yīng)力根據(jù)下式得到：

F、

F一,

F.S

其中：Fv——材料的最小屈服應(yīng)力；

F.S一一安全因子。

有關(guān)式子計算得到H勺等效許用應(yīng)力應(yīng)滿足?！?，各型號鋼材的許用應(yīng)力

如表3.1中所示。

表3.1ABS規(guī)范中各型號鋼材的許用應(yīng)力

靜載荷工況組合工況

取小屈服應(yīng)力

鋼板等級安全等效許用應(yīng)安全等效許月應(yīng)

N/mm2

因子力(MPa)因子力(MPa)

A-B-D-E2351.43164.341.11211.71

AH32-DH32-EH32315220.28283.78

AH36-DH36-EH36355248.25319.82

AH40-DH40-EH40390272.73351.35

EQ51490342.66441.44

3.2梁屬性處理

在平臺強度校核的各個階段，各板材與骨材的尺寸均取實際建造尺寸。在處

理梁單元時，不考慮與之相連的帶板，即單元的截面積和慣性矩只考慮梁自身，

慣性矩是對梁自身日勺形心計算而得，不過單元的I節(jié)點不在梁日勺形心軸上，而是在

腹板的趾部，這也就是所謂日勺偏心梁單元。

3.3計算工況

半潛式鉆井平臺構(gòu)造強度計算分析時，應(yīng)考慮如下三種最基本和最經(jīng)典日勺操

作工況：作業(yè)工況、自存狀況和遷航工況。

作業(yè)工況是指平臺在井位上鉆井或進行其他操作時能承受和規(guī)定日勺作業(yè)狀

況設(shè)計原則對應(yīng)的環(huán)境載荷與作業(yè)載荷的組合載荷的狀況。

自存工況是平臺處在和規(guī)定的自存狀況設(shè)計原則對應(yīng)的最惡劣環(huán)境中H勺狀

況。此時，鉆井作業(yè)或類似作業(yè)已經(jīng)中斷，深入的措施是關(guān)閉防噴器和脫開隔水

管，放出上風(fēng)舷錨鏈和減小下風(fēng)舷錨鏈的張力，平臺漂浮在水面上自存。

遷航，況是指半潛式平臺從一種地點轉(zhuǎn)移到另一種地點日勺過程中所處日勺狀

況。

構(gòu)造強度計算分析時，應(yīng)對每一種基本日勺設(shè)計工況考慮和列出多種最不利的

組合載荷條件作為計算分析日勺基礎(chǔ)。這里的組合載荷仍指環(huán)境載荷與作業(yè)載荷區(qū)I

組合。在三種基本工況下，又分別考慮平臺如下9種運動狀態(tài)：靜水、縱搖、橫

搖、縱向彎曲、縱向剪切、橫向分離、橫向擠壓、斜向扭轉(zhuǎn)以及加速上升等(如

圖3.1所示)。

(a)縱搖

(b)橫搖

(c)縱向彎曲

(d)縱向剪切

(e)橫向分離

(h)垂直上升

圖3.1平臺在多種組合工況下日勺受力與運動示意圖

3.3邊界條件

為了防止構(gòu)造模型發(fā)生剛體位移，必須在模型中施加一定的位移邊界條件。

根據(jù)實際狀況，位移邊界條件可以彈性固定或剛性固定。一般在構(gòu)造強度較大并

遠離構(gòu)造強度評估區(qū)域選用三個不共線的節(jié)點，每個節(jié)點施加如下日勺位移邊界條

件：

節(jié)點1：限制X、Y、Z三個方向H勺位移；

節(jié)點2：限制Y、Z兩個方向的位移；

節(jié)點3：限制Z方向的位移。

如圖3.2所示，在NDB半潛平臺的強度校核過程中，所采用口勺邊界條件為:

節(jié)點1：平臺主甲板艄部的中點，約束節(jié)點X、Y、Z三個方向的位移；

節(jié)點2：平臺主甲板軀部右舷端點，約束節(jié)點Y、Z兩個方向的位移；

節(jié)點3：平臺主甲板艇部左舷端點，約束節(jié)點Z方向的位移。

節(jié)點3

節(jié)點2

圖3.2NDB平臺強度評估邊界條件

4構(gòu)造細網(wǎng)格應(yīng)力計算

在構(gòu)造處在高應(yīng)力區(qū)或者應(yīng)力梯度變化很大的狀況下，粗網(wǎng)格有限元計算成

果是不可靠的，其原因重要體目前兩個方面：一是粗網(wǎng)格模型的單元尺寸較大，

計算成果也許會比最終收斂的精確數(shù)值解小諸多，假如粗網(wǎng)格的計算成果已經(jīng)靠

近許用應(yīng)力，那么它的實際精確數(shù)值解很也許會超過規(guī)定時許用應(yīng)力，因而需要

深入細化，在獲得更為精確成果的基礎(chǔ)上，對構(gòu)造進行更為可靠的強度校核；二

是對于構(gòu)造應(yīng)力集中部位，粗網(wǎng)格模型無法體現(xiàn)局部應(yīng)力的梯度變化，諸多時候

從高應(yīng)力區(qū)過渡到低應(yīng)力區(qū)日勺范圍甚至要比一種粗網(wǎng)格模型的單元尺寸還要小

諸多，因此要獲得應(yīng)力集中部位口勺真實應(yīng)力，必須要進行局部細網(wǎng)格分析。

基于NDB半潛鉆井平臺粗網(wǎng)格整體有限元強度計算構(gòu)造，在構(gòu)造應(yīng)力靠近

或不小于許用應(yīng)力的區(qū)域進行網(wǎng)格細化，這些位置都是平臺構(gòu)造應(yīng)力集中比較嚴

重，輕易產(chǎn)生疲勞裂紋損傷敏感區(qū)域，通過更為精確口勺細網(wǎng)格分析成果，可以有

效地減少應(yīng)力集中程度，提高平臺構(gòu)造的安全性。

4.1細化區(qū)域

對于重要支撐構(gòu)件高應(yīng)力區(qū)域或者應(yīng)力梯度變化較大的區(qū)域，整體粗網(wǎng)格有

限元模型不能精確地反應(yīng)局部應(yīng)力分布，需要對該區(qū)域的網(wǎng)格進行細化分析?；?/p>

于NDB平臺整體有限元強度分析構(gòu)造，確定了撐管部位管節(jié)點的細化區(qū)域和某

些強框架區(qū)域。

網(wǎng)格細化分析可采用細化網(wǎng)格區(qū)域的獨立局部有限元模型，邊界條件從平臺

整體強度計算成果中提獲得到；也可采用在平臺整體有限元模型基礎(chǔ)上對各部位

局部區(qū)域進行網(wǎng)格細化，整體模型的邊界條件不變。前者需要從平臺總體強度計

算成果中提取邊界條件，后者對計算機硬件規(guī)定較高，兩種措施各有優(yōu)缺陷，在

實際工程中可根據(jù)實際狀況進行選擇。本項目中，NDB平臺采用后者措施進行

細化分析。

4.2細化模型

結(jié)合ABS有關(guān)規(guī)范，建立局部細化網(wǎng)格所參照的原則如下：

1）細化網(wǎng)格區(qū)域口勺網(wǎng)格尺寸應(yīng)不不小于50inmx50mmo一般狀況下，細化

網(wǎng)格區(qū)域的范圍在校核區(qū)域的所有方向應(yīng)不少于10個單元。

2）細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)H勺所有板材應(yīng)以殼單元表達，網(wǎng)格密度的過渡應(yīng)保持平

穩(wěn)。

3）細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元的長寬比應(yīng)盡量保持靠近1,應(yīng)防止網(wǎng)格密度II勺變

化和三角形單元的使用。任何狀況下，單元口勺長寬比應(yīng)不超過3,防止使用角度

不不小于60?；虿恍∮?20叩勺畸變單元。

4）細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)H勺扶強材應(yīng)使用板單元來建模，細化網(wǎng)格區(qū)域外的扶強

材可使用梁單元來建模。

5）細化網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)單元的建模厚度應(yīng)基于凈厚度。

6）建模時，重要支撐構(gòu)件及有關(guān)肘板口勺面板沿寬度方向應(yīng)至少3個單元。

4.3平臺工況

細化網(wǎng)格有限元模型口勺平臺工況以及邊界條件的處理與粗網(wǎng)格整體有限元

模型完全同樣。

4.4許用應(yīng)力

在進行細化區(qū)域應(yīng)力分析時，平面單元的參照應(yīng)力仍然為單元中心日勺von

mises等效應(yīng)力，線單元區(qū)I參照應(yīng)力為軸向應(yīng)力。許用應(yīng)力和粗網(wǎng)格整體有限元

屈服分析中日勺許用應(yīng)力相似，見表3.1。

4.5細化網(wǎng)格圖

基于NDB平臺構(gòu)造對稱性及多種工況下應(yīng)力分析，選用9處進行網(wǎng)格細化,

這些位置都是撐管與撐管、浮體及甲板相連位置以及。各個區(qū)域細化網(wǎng)格圖見圖

4.1-4.9。

圖4.1斜撐與甲板下面箱型梁相交區(qū)域的細化網(wǎng)格圖

圖4.2水平撐管相交區(qū)域的細化網(wǎng)格圖

圖4.36個撐管相交區(qū)域日勺細化網(wǎng)格圖

圖4.43個水平撐管相交區(qū)域的細化網(wǎng)格圖

圖4.7立柱與箱型梁連接處區(qū)域的細化網(wǎng)格圖

圖4.8與浮體首部上甲板相交日勺斜撐區(qū)域細化網(wǎng)格圖

圖4.9撐管間肘板區(qū)域細化網(wǎng)格圖

5屈曲強度評估

海洋平臺是薄壁組合構(gòu)造，其在海洋環(huán)境中將受到壓力、剪力等作用而輕易

發(fā)生屈曲。板及加筋板是海洋平臺的重要構(gòu)造形式，本項目重要對板格及加筋板

進行屈曲強度評估，圖1為經(jīng)典的加筋板示意圖，圖2為加筋板截面尺寸示意圖。

LongitudinalGirder

圖5.1經(jīng)典加筋板

“

—::-----?

Centroidof

Stiffener

■0

圖5.2加筋板截面尺寸示意圖

5.1屈曲概念

板及加筋板日勺失效可分為三個水平，即板失效，加筋板失效以及整體桁架失

效，如圖3所示。海洋平臺在設(shè)計時就應(yīng)當(dāng)滿足后一種失效模式的屈曲和極限強

度高于前一種。

數(shù)■/小七二力口土爾r

圖5.3加筋板的失效模態(tài)

5.2屈曲強度評估的原則

所有原則均基于ABS規(guī)范：

?每個筋的屈曲強度一般不小于它所支持日勺板的屈曲強度。

?筋及其附加有效板的慣性矩仍不不不小于公式(1)的給定值。

/=————7(1)

°012(1-v2)0

u2

這里：Zo=(2.6+4.0b)/+12.4a-13.2a

b=4/(st)

a=I/s

s=縱向筋間距，cm(in.)

t=縱向筋支持日勺板厚，cm(in.)

v=泊松比，對于剛?cè)?.3

4=筋(包括板)日勺橫截面積，cm2(in2)

/二筋日勺非支撐間距，cm(in.)

?深度支撐構(gòu)件(如桁材)及其附加有效板的慣性矩左不不不小于公式(2)

的給定值。此外，假如有肘板，要防止tripping(如扭轉(zhuǎn)/彎曲失穩(wěn))日勺發(fā)生,

見公式(3)o

3

7C//O>0.2(B/Z)(^/5)(2)

這里：IG=支持桁材的慣性矩，包括有效板，cm3ii?)

&)=筋的慣性矩，包括有效板，cm(r?)

B=支持桁材的非支撐間距，cm(in.)

P=°O2b,,(8//+；&九,)(3)

這里：=在tripping肘板間有關(guān)軸向壓力的J臨界側(cè)向屈曲應(yīng)力，

N/cnr(kgf/cm2,lbf/in2)

=0伙對于5?《匕。0

=々口—-(1-<)，/%]對于%>的

22

%=0.6EI(bfitf)(九/dJ],N/cm(kgf/cm\lbf/in)

《二構(gòu)造n勺比例線彈性限定，對于剛?cè).6

E二彈性模量，對于剛?cè)?.06X107N/cnr(2.1X106kgf/cm\30X

106lbf/in2)

百）二材料最小屈服應(yīng)力，N/cm2（kgf/cm2,lbf/in2）

?桁材與筋的面板及翼板要要成比例，以防止局部失穩(wěn)發(fā)生（見公式（4））。

,2

b2/tf<OA（E/（y（y（4）

?桁材與筋的腹板要要成比例，以防止局部失穩(wěn)發(fā)生（見公式（5）-（7））。

4./L?1.5（E/5）嚴對于角鋼及T型材（5）

4./。工0?85（七/。0產(chǎn)對于球扁鋼（6）

U2

dw/tw<0A（E/a.）對于扁鋼（7）

5.3載荷

板及加筋板重要考慮如圖4所示的載荷，即

?均勻面內(nèi)壓力。ax,。ay

?面內(nèi)彎矩加x，。禰

?邊緣剪力7

?側(cè)向壓力4

?上述所有組合

圖5.4板及加筋板口勺重要載荷

5.4最大許用強度因子

?靜水工況：〃=0.6；

?組合工況：〃=0.8,

5.5板格屈曲強度評估

假如構(gòu)造H勺極限強度滿足公式(8)給定的原則，則對于筋之間H勺矩形板,

屈曲是可以接受的。實踐證明，板格僅需校核極限強度。當(dāng)建立加筋板H勺附加板

寬時，板格日勺屈曲校核是必需的I。假如板不發(fā)生屈曲，全寬被采用，否則假如板

屈曲但不失效，有效寬度被采用。

僅在均勻側(cè)向壓力或面內(nèi)組合應(yīng)力作用下，筋間板格日勺極限強度滿足公式

(8)

這里；G=等效應(yīng)力,N/cm2(kgf/cm2,lbf/in2)

=y/bxmax'-5tmaxbymax+bymax+3c

%max=縱向最大壓應(yīng)力，N/cm2(kgf/cm2,lbf/in2)

22

cvmax=橫向最大壓應(yīng)力，N/cm(kgf/cnr,lbf/in)

I=邊緣剪力，N/cm2(kgf7cm2,lbf/in2)

在面內(nèi)及側(cè)向壓力作用下板格的屈曲狀態(tài)限定校核公式:

、2

bxmax°vmax

++<1(9)

\吐)

22

這里：(TCX=縱向單軸壓力作用下日勺臨界屈曲應(yīng)力，N/cnr(kgf/cm,lbf/in)

=橫向單軸壓力作用下的臨界屈曲應(yīng)力，N/cm2(kgf/cnr,lbf/in2)

22

rc=邊緣剪力作用下的臨界屈曲應(yīng)力，N/cm(kgf/cnr,lbf/in)

筋間的板格在組合面內(nèi)應(yīng)力作用下極限強度滿足公式(10)：

/、2

°vn?ax

%inaxmax

++<1(10)

U7%八嗎.)JO"

這里：(P=縱橫應(yīng)力間的互相作用系數(shù)

=1.0-/?/2

%=縱向單軸壓力作用下歐I極限強度，N/cm2(kgf/cm2,lbf/in2)

222

crUy=橫向單軸壓力作用下的I極限強度，N/cm(kgf/cm,lbf/in)

3=邊緣剪力作用下日勺極限強度，N/cm2(kgf/cm2,lbf/in2)

5.6加筋板屈曲強度評估

加筋板日勺失效模態(tài)包括梁柱屈曲、筋日勺扭轉(zhuǎn)和彎曲屈曲以及筋日勺腹板和面板

時局部屈曲。防止這些失效模態(tài)的加筋板強度用公式(11)