彭丹丹 傅 杰 刘 昆

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江 212003）

深海半潜式钻井平台上部船体极限承载力分析

彭丹丹 傅 杰 刘 昆

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江 212003）

新一代半潜式钻井平台趋于采用节点少、无撑杆的简单结构外形。由于其在深海作业往往面临极其恶劣的海洋环境，因此平台结构的安全性显得尤为重要。ABS MODU规定要考虑半潜式平台在横撑结构失效后的剩余强度问题。文章基于有限元分析软件Abaqus，采用准静态法计算分析横撑失效后上部船体结构在横开、横关两种载荷模式下的极限承载能力；同时，基于“面积涂抹” 技术对模型进行简化，而后计算简化模型的极限强度并对简化方法进行了讨论。研究成果可对新型半潜平台结构设计提供参考，也可为大型结构极限强度计算有限元简化计算提供借鉴。

半潜平台；上部船体结构；极限承载力；有限元方法；准静态法

引 言

船舶与海洋结构设计方法正逐渐从传统的许用应力设计向极限状态设计转变。半潜式钻井平台作为一种可靠性较高的钻井装置，具有运动响应小、对水深不敏感、钻井作业稳定性好、可再次移动就位等优势［1］。随着半潜式平台的发展，平台结构不断简化，趋于采用节点少、无撑杆的结构形式，但这却大大降低了平台的极限强度［2］。

近年来，半潜式平台极限承载力的研究越来越受到学者们普遍关注。嵇春艳等［3］系统分析了平台首部横撑破损、腐蚀等结构损伤对平台整体极限承载力的影响；祁恩荣等［4］采用简化法和解析法分别计算半潜平台总纵极限强度，并进行比较研究；徐志亮等［5］采用非线性有限元法计算完好状态下浮体的极限强度值，并研究不同服役时间腐蚀对浮体极限强度的影响；姜峰等［6］采用非线性有限元法计算半潜式平台局部结构的极限强度，并分析各参数对平台局部结构极限强度的影响；刘昆等［7-8］采用有限元计算方法，以平台甲板板架为基础进行结构极限强度计算的有限元模型化技术研究，验证计算方法的可靠性，基于该方法对半潜平台撑杆结构极限承载力进行计算，并分析初始确定对结构极限承载力的影响。上述研究成果主要集中在对半潜式平台局部结构极限承载力开展有限元计算，而平台整体结构极限承载能力，尤其是部分构件损伤后平台结构的剩余极限承载能力对于平台结构的安全可靠性评估是十分重要的。

本文以上部船体结构为主要研究对象，分析横撑结构失效后其在横开/关两种横浪载荷模式下的极限承载能力。另外，从节省计算资源、便捷高效计算结构极限承载力出发，基于“面积涂抹”技术对结构进行简化，计算简化模型的极限承载力并与实际结构极限承载力进行比较。通过本文数值仿真分析得到目标平台上部船体在横浪载荷下的极限承载力及结构失效模式，可用于评估上部船体结构的极限强度。

1 平台上部船体结构极限承载力计算

1.1 半潜式钻井平台简介

目标平台的主体结构具有双浮体、四立柱和上部船体结构，其首尾立柱间各用2根横撑连接，如图1所示。其中上部船体共有4层，设置10道纵舱壁和7道横舱壁；甲板及舱壁为加筋板、梁结构。由于作业需要，上船体中部设有贯穿大型开口，用于钻井及下放防喷器等作业。

图1 3 000 m深海半潜式钻井平台效果图

1.2 有限元模型

由于考虑横撑失效后结构极限承载力，故有限元结构模型为除横撑以外的全部主要结构，包括上部船体结构、立柱结构、下浮体结构等，如图2所示。其中，x轴沿上部船体长度方向，y轴沿宽度方向，z轴沿高度方向。甲板、舱壁及大的加强构件采用壳单元（S4R）建立，结构的骨材及加强筋等均采用梁单元（B31）建立。网格大小尺寸为纵骨间距，所有结构材料均为AH32高强钢，其屈服应力σY=315 MPa，杨氏模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，材料假设为理想弹塑性模型，采用显式动态求解器，利用准静态方法计算［9-10］。

图2 半潜平台结构有限元模型

1.3 计算工况

本文关注的上部船体结构主要是在横浪载荷下，水平横撑失效后才起到承受载荷保护结构安全的作用，因此以横浪作用下的两下部浮体发生横开和横关运动作为计算工况，具体工况简述如下：

LC1——横开变形，两浮体相互分离，通过立柱使得上部船体结构发生中垂变形；

LC2——横关变形，两浮体相互靠近，通过立柱使得上部船体结构发生中拱变形。

1.4 约束和载荷

载荷模式为横浪工况下引起的横开力及横关力。横开力或横关力主要由于横浪下的下浮体及立柱结构受到波浪的压力合力引起，载荷主要是由下浮体通过立柱传递于上部船体结构，最后由上部船体结构承受。在数值仿真分析时对横开力和横关力作如下简化处理：不包括水平横撑在内的整个平台结构模型，参考点与立柱下方下浮体底部节点耦合，其中一侧两个参考点约束全部自由度，另一侧两参考点施加位移载荷来实现对结构的加载。施加约束及载荷后的有限元模型如图3所示。

图4 载荷位移曲线

图3 施加约束及载荷后的结构模型

1.5 计算结果及分析

图4和下页图5分别为平台在两种计算工况下的载荷位移曲线及极限状态损伤变形情况，采用2倍斜率法［11］从载荷位移曲线上得到平台上部船体结构极限承载力在横开和横关工况下分别为141.1 MN和130.6 MN。在横开工况下，上部船体结构中上甲板受压发生较为显著的屈曲变形，下甲板结构主要受力方式为拉应力为主，失效模式主要表现为屈服失效；在横关工况下，下甲板因受压发生较为显著的屈曲变形。立柱与平台上部船体相连接处的上部船体结构发生明显的塑性屈曲，沿下浮体方向的下甲板结构也发生较大的塑性变形；立柱上方对应的上部船体结构的塑性变形较大，结构的应力也较大，该载荷模式下结构极限承载能力较低，因此对上述容易发生塑性变形的结构区域进行加强，或采用结构优化可提高结构在横关工况下的极限强度。两工况下立柱结构主要起到力传递的作用，因此结构的应力并不大。

图5 平台结构极限状态应力云图

图6 等效后结构有限元模型

2 平台结构简化模型极限强度分析

由于半潜平台尺寸大，结构复杂，建立结构整体详细的模型进行非线性计算就会耗费巨大计算资源且经常由于计算量大导致计算不易收敛，为此本部分尝试对平台结构采用“面积涂抹技术”（该技术按照质量等效原则，将小的骨材、加强筋及骨材面板等小尺寸构件的厚度均匀地附加在主要结构件上，以简小模型单元数量、提高最小单元的特征长度，以提高计算效率），将一些加筋和骨材等小尺寸构件的厚度均匀地附加在相应的主要构件上。简化后平台结构有限元模型如图6所示。约束、载荷及计算工况同本文第1部分。

下页图7为平台模型等效简化后横开、横关工况下的载荷位移曲线，通过与1.5部分简化前计算结果比较可以发现，结构极限承载力载荷位移曲线的形状趋势与等效前平台计算得到的曲线基本相同，极限载荷分别为99.01 MN和84.82 MN，各自减小29.8%和35%，相差较大。通过比较、分析两模型的结构损伤变形，发现简化模型中结构的失效主要发生在上部船体最外层围壁结构。上部船体甲板板厚增加使得围壁结构相对刚度变小，导致围壁结构的应力增加，容易发生屈曲失效。此外，部分等效构件自身也发生失效，且有着不同的失效模式。将其等效成相应板厚后，会改变其失效模式，大部分会变成弯曲及拉压变形，承受载荷的能力自然降低。

上述计算结果表明，利用“面积涂抹技术”进行等效的模型计算结构强度需确定加载方式及结构失效模式，对于本文分析平台结构主要承受弯曲载荷作用时的极限承载力计算结果误差较大，需要分析该等效方法在不同加载方式下（拉、压、剪、扭等）的计算精度。此外，还需要进一步研究具有不同变形特点的不同区域构件的等效方案。

图7 载荷位移曲线

3 结 论

本文采用准静态法计算分析横撑失效后平台上部船体结构在横开、横关两种载荷模式下的极限承载能力，同时计算了简化模型的极限强度并对简化方法进行讨论。主要结论如下：

（1）平台上部船体结构极限承载力在横开和横关工况下分别为141.1 MN和130.6 MN，上部船体受压的甲板结构发生较为显著的屈曲变形，受拉的则主要表现为屈服失效，两工况下立柱结构主要起到力传递的作用，结构的应力不大。

（2）通过对采用“面积涂抹技术”的简化模型计算分析表明，对于本文分析平台结构主要承受弯曲载荷作用时的极限承载力计算结果误差较大，需要进一步开展该等效方法在不同加载方式下的计算精度分析以及具有不同变形特点的不同区域构件的等效方案研究，为复杂结构的简化模型建立提供参考。

［ 1 ］ 马延德，张松涛，刘伟伟.大型半潜式钻井平台安全关键技术研究［J］. 中国造船，2003（2）：53-60.

［ 2 ］ 朱双龙，窦培林. 不同撑管结构的半潜式平台极限强度比较研究［J］.中国海洋平台，2014（1）：32-36.

［ 3 ］ 嵇春艳，张圆缘，王朝，等. 局部构件破损对半潜式平台极限承载力的影响分析［J］. 船舶，2013（4）：28-33.

［ 4 ］ 祁恩荣，庞建华，吴东伟. 半潜式平台极限强度可靠性研究［J］. 船舶力学，2011（4）：371-376.

［ 5 ］ 徐志亮，王德禹. 腐蚀影响下半潜平台浮体的时变极限强度［J］. 海洋工程，2011（4）：81-86.

［ 6 ］ 姜峰. 基于非线性有限元方法的半潜式平台极限强度研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［ 7 ］ 刘昆，张延昌，王自力. 基于Abaqus船体板架极限承载力数值仿真分析［C］. 中国造船工程学会学术论文集，2012：189-198.

［ 8 ］ 刘昆，张延昌，王璞，等. 半潜式钻井平台撑杆结构极限承载力数值仿真计算［J］. 江苏科技大学学报（自然科学版），2012（5）：430-433.

［ 9 ］ 温保华， 洪伟， 吴嘉蒙. 浅谈极限强度在船舶结构设计的运用［J］. 上海造船，2007：8-10.

［10］ 彭大伟，张世联. 结构极限强度分析的三种有限元解法研究［J］. 中国海洋平台，2010（2）：1-5.

［11］ 陈刚，刘应华. 结构塑性极限与安定分析理论及工程方法［M］. 北京：科学出版社，2005.

Ultimate strength of upper hull structure for ? semi-submersible drilling platform

PENG Dan-dan FU Jie LIU Kun
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

The new generation of semi-submersible drilling platforms is characterized of the simple structural confi guration with fewer nodes and no strut. The security of the platform structure is essential due to the extremely harsh marine environment during the deep-sea operation. The residual strength problem of a semi-submersible platform after the failure of the transverse brace is required to be considered in the ABS MODU rule. This paper analyzes the ultimate strength of the upper hull structure after the failure of the transverse brace under the two loading conditions， transverse open and transverse close， by the quasi-static method based on the fi nite element analysis software Abaqus. The model is simplifi ed based on the "area smearing" technology to calculate the ultimate strength for the further discussion of this simplifi ed method. The research results can provide reference for the structural design of the new semi-submersible drilling platforms and the guidance for the calculation of the ultimate strength of the large structures by the simplifi ed fi nite element method （FEM）.

semi-submersible drilling platform； upper hull structure； ultimate strength； FEM； quasi-static method

U674.38+1

A

1001-9855（2015）06-0040-05

2015-04-08；

2015-05-06

彭丹丹（1990-），女，硕士，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。

傅 杰（1992-），男，硕士，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。

刘 昆（1984-），男，博士研究生，讲师，研究方向：船舶与海洋工程结构强度。