郭心月，陈景杰，黄　一

(大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 116024)



应用高强度钢对自升式平台桩腿结构进行优化

郭心月，陈景杰，黄一

(大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 116024)

为探究高强钢的应用对自升式平台桩腿结构优化的影响，选取4组不同屈服强度的高强钢，每组高强钢下，设置一系列节距值，改变桩腿形状。各节距下，综合考虑工作载荷、环境载荷及P-Δ效应载荷作用，采用有限元软件对桩腿结构尺寸进行优化。通过优化后结果分析及讨论，发现高强钢的选取与桩腿节距相关，提出优化后桩腿体积和尺寸参数随节距和高强钢屈服强度的变化关系，并给出高强钢选取及桩腿结构设计方面的建议。

自升式平台桩腿；高强钢；尺寸优化；主弦杆屈曲；节距

自升式平台作为海上油气开采的重要装备，其建造成本随作业水深的增加而迅速增加，主要原因在于桩腿和主船体用钢量的增大[1]。通过使用高强钢、超高强钢和结构优化技术可以实现桩腿结构轻量化，提高平台可变载荷和自持能力。目前，高强钢在自升式钻井平台中占比55%～60%，且桩腿需要460～690 MPa级别及690 MPa以上级别的高强钢[2]。对于平台结构优化技术的研究，在文献[3-7]中已取得一定的研究成果。然而目前尚未有学者基于高强钢应用，对自升式平台桩腿结构进行优化研究。本文选取4组不同屈服强度的高强钢，分别对桩腿构件尺寸进行优化，保证其在消耗钢材最少的情况下满足强度和稳定性的限制。分析及讨论优化结果，确定高强钢的选取与节距之间的关系，以便在高强钢选取及桩腿结构设计方面给出有效的建议。

1　计算模型

1.1平台参数

选取辽河重工有限公司设计建造的CP-350自升式钻井平台，平台主体呈三角形，采用三桩腿桁架式结构，桩腿型式为Inv-K型(见图1)，最大工作水深为115 m。平台总长72.05 m，总宽66 m，主船体型深8.2 m，桩腿纵向距离42 m，横向距离23 m。

图1　Inv-K型桩腿结构示意

桩腿结构主要尺寸参数为：高154.75 m，主弦杆中心距11.75 m，节距7.925 m；主弦杆外径0.44 m，壁厚0.06 m；齿条板宽度0.651 m，厚度0.152 m；斜撑杆外径0.273 m，壁厚0.021 m；水平撑杆外径0.324 m，壁厚0.021 m；水平内撑杆外径0.168 m，壁厚0.011 m。桩腿材料为ASTMA514CrQ，其弹性模量206 GPa、泊松比0.3、屈服强度690 MPa。

1.2有限元模型

根据SNAME规范的推荐，将主船体简化为梁单元组成的空间梁系。采用有限元软件ANSYS提供的管单元模拟桩腿的斜撑杆、水平撑杆和水平内撑杆。自定义梁单元截面模拟主弦杆与齿条组成的拼接截面，并与厚度无限小的管单元进行节点耦合，其中管单元提供波浪和海流作用力[8]。边界条件为在泥面以下3.0 m处对桩腿简支[9]。

平台三维有限元模型见图2。

2　计算载荷

2.1工作载荷

自升式钻井平台在风暴自存工况下受到的工作载荷包括固定载荷和可变载荷。空船重量为14 146.4 t，可变载荷为2 350 t，其中桩腿和桩靴总重量为3 933 t。

2.2环境载荷

平台在其工作海域承受的环境载荷主要包括风浪流载荷，同时还需考虑P-Δ效应载荷。风浪流环境载荷同向，选取9个入射方向，见图3。

图3　环境载荷入射方向

风暴自存工况下设计风速51.4 m/s，波浪波高15.24 m，波浪周期15.03 s。海流表面流速0.51 m/s，海水密度1.03 g/cm3。采用Stokes五阶波理论计算水质点速度和加速度，Morison公式计算桩腿构件波浪载荷，线性流速剖面分布计算海流载荷，且海底流速为0。参考SNAME规范计算桩腿各部分构件的拖曳力系数CD与惯性力系数CM值。针对每一个入射方向，搜索相位角使波浪倾覆弯矩达到最大值。风载荷在-90°至90°入射方向下的载荷值分别为962.5，959.9，1 179.8，1 186.5，1 050.7，1 186.48，1 179.81，959.86，962.48 kN。依据CCS规范，计入P-Δ效应影响。静力分析结果表明，风浪流入射方向为20°时，结构应力响应最大，故在此工况下对桩腿结构进行优化。

3　优化设置及优化结果

3.1优化设置

桩腿最大轴向应力发生在主船体与桩腿连接处的主弦杆上，为压应力。根据CCS规范，对于承受轴向压缩和弯曲组合作用的构件，校核其屈曲强度时，计算应力应满足下式要求。

(1)

(2)

式中：σa，[σa]——构件计算轴向压缩应力和许用轴向压缩应力，MPa；

σby，σbz——构件关于横截面y和z轴的计算弯曲应力，MPa；

[σby]，[σbz]——构件关于横截面y和z轴的许用弯曲压缩应力，MPa；

Cmy，Cmz——计算弯矩作用于XOY平面和XOZ平面内屈曲时的等效弯矩系数。

定义主弦杆屈曲状态参数W，令W等于以上公式不等号左边部分。

选取的4组高强钢屈服强度为438，507，690，805 MPa，分别记为HSS-438、HSS-507、HSS-690和HSS-805。组合工况下取安全系数为1.25，许用应力分别为350，405，552和644 MPa。综合考虑桩腿结构重量、性能以及建造难度，将桩腿结构等节距部分的节数依次定为9至20节，共12种形状，节距分别为6.74，7.1，7.49，7.92，8.43，9，9.64，10.38，11.25，12.27，13.5和15 m。

各个节距下，采用ANSYS中的零阶优化方法，设置主弦杆、斜撑杆、水平撑杆和水平内撑杆的直径与厚度为优化变量。齿条尺寸依附于主弦杆尺寸，故设置齿条直径和厚度与主弦杆直径的比值为定值。桩腿体积最小为优化目标，同时满足强度约束条件即桩腿最大轴向应力小于高强钢的许用应力，以及稳定性约束条件即W≤1。

3.2优化结果

优化后，分别绘制桩腿节距与桩腿总体积、桩腿最大轴向应力、桩腿最大位移及主弦杆屈曲状态参数W的变化曲线见图4～7。

图4　桩腿节距与桩腿总体积变化

图5　桩腿节距与桩腿最大轴向应力变化

图6　桩腿节距与最大位移变化

图7　桩腿节距与W值变化

根据图4～7可得：

1) HSS-690和HSS-805高强钢的优化结果完全相同。说明当主弦杆屈曲状态参数为优化的紧约束条件(即W=1)时，增加高强钢屈服强度将不能提高桩腿结构强度，高强钢的应用并不是越强越好。此时增大桩腿节距则需要增加桩腿总体积(见图4)以抵抗其屈曲，将导致桩腿最大轴向应力和最大位移逐渐减小。

2) 由HSS-438和HSS-507高强钢的优化结果得，当桩腿最大轴向应力为优化的紧约束条件(即W<1)时，同一节距下增加高强钢屈服强度将能提高桩腿结构强度，并充分发挥材料的强度性能。然而随着桩腿节距的增大，优化的紧约束条件由桩腿最大轴向应力变为主弦杆屈曲状态参数，在某一节距桩腿首次达到临界屈曲条件。首次达到临界屈曲状态的节距值随着桩腿高强钢屈服强度的增大而减小。

桩腿节距与优化后各部分体积和桩腿总体积比值的变化见图8。图8中编号1代表主弦杆，2代表水平撑杆， 3代表斜撑杆， 4代表水平内撑杆。HSS-690和HSS-805高强钢优化结果相同。不同高强钢对应的优化后桩腿节距与各部分体积比变化曲线相同。主弦杆体积最大，斜撑杆和水平撑杆体积次之，水平内撑杆体积最小。增大节距，主弦杆体积比逐渐增大，其余各部分体积比逐渐下降，即主弦杆对结构的作用随节距的增大而增大。结合图4，可知在一定节距范围内，增大高强钢屈服强度可以减小桩腿总体积，且桩腿各部分体积等比例减小。

桩腿节距与优化后桩腿各部分直径及壁厚的变化见图9、10。主弦杆直径和厚度最大；水平撑杆和斜撑杆的直径和厚度次之，且两者的直径和厚度相差较小；水平内撑杆直径和厚度最小。结合图4～7可得，4组高强钢下，主弦杆直径和厚度变化是桩腿总体积变化的主要原因，对桩腿强度和稳定性有着重要的影响。一定节距范围内，优化后的主弦杆直径和厚度随高强钢屈服强度的增大而减小。斜撑杆、水平撑杆和水平内撑杆的直径和厚度随节距及高强钢屈服强度的变化而几乎不变。

图8　桩腿节距与各部分体积比变化

图9　桩腿节距与各部分构件直径变化

图10　桩腿节距与各部分构件壁厚变化

4　讨论

上述分析是基于确定的自升式平台得到的结果，为使文中结论具有广泛的应用，需要研究其他模型桩腿节距的变化对桩腿强度的影响。由于有学者认为自升式平台桩腿底部采用弹簧约束更合理，因此，在本研究中将上述模型桩腿处的约束条件改为弹簧约束(具体包括3个平动弹簧和2个转动弹簧[10])进行分析，弹簧刚度参考SNAME规范中Elgin Site处地基。弹簧约束条件下，优化结果随节距及高强钢屈服强度的变化规律(见图11～17)与简支约束条件下的变化规律相似。

图11　桩腿节距与桩腿总体积变化

图12　桩腿节距与桩腿最大轴向应力变化

图13　桩腿节距与桩腿最大位移变化

图14　桩腿节距与W值变化

图15　桩腿节距与桩腿各部分体积比变化

图16　桩腿节距与桩腿各部分直径变化

图17　桩腿节距与桩腿各部分厚度变化

5　结论

1)分析桩腿底部简支约束和弹簧约束条件下的优化结果可得，桩腿强度、稳定性、总体积、各部分构件体积及各部分构件尺寸参数随节距和高强钢屈服强度的变化而有规律地变化。该规律对于桩腿结构的轻量化研究及结构设计具有一定的参考价值。

2)高强钢的应用并非越强越好，尤其随着节距的增大，增加高强钢屈服强度将不能提高桩腿结构强度。固定节距下进行以主弦杆屈曲状态参数为约束条件的优化，当主弦杆达到屈曲临界条件时，桩腿总体积最小，轴向应力最大，该轴向应力值可以为高强钢屈服强度的选取提供参考。如果选取的高强钢许用应力值大于该轴向应力值，材料的强度性能无法充分发挥。

3)本文的优化分析基于构件应用同一种高强钢的桩腿结构，并未涵盖所有类型的桩腿结构。因此，对于不同构件应用不同高强钢的桩腿结构仍需进一步研究。

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On the Optimization of Jack-up Platform Legs Structure Based on High Strength Steel

GUO Xin-yue, CHEN Jing-jie, HUANG Yi

(School of Navy Architecture and Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Four grades of high strength steels with different yield strength are applied to the study the optimization of jack-up legs structure. For each leg, a series of pitch values is chosen to change its shape and carry out optimization by FEA in consideration of working load, environmental load andP-Δeffect. The optimized results and discussions demonstrate that the selection of high strength steels is related to the pitch values. The relationship of the optimized leg volume and size to the yield strength of high strength steel and pitch values is obtained. Some recommendations on the high strength steel selection and structure design are presented.

jack-up platform legs; high strength steel; size optimization; chord buckling; pitch

2016-03-01

2016-03-21

国家自然科学基金(51579039)；中央高校基本科研业务费资助(DUT14RC(4)43，DUT14LK01)

郭心月(1992—)，女，硕士生

U674.38；TE951

A

1671-7953(2016)04-0077-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.019

研究方向:船舶与海洋工程结构安全分析

E-mail:xinyueguo@mail.dlut.edu.cn