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多功能半潛式起重鋪管平臺是近年來推出的一種新穎的集起重、拆裝導管架平臺、鋪管功能于一體的海洋工程裝備。不同的作業(yè)模式可在海上直接轉換。由于該平臺采用獨特的U型結構，提供了作業(yè)所需的足夠空間。本研究針對2X2000功能半潛式起重鋪管平臺，在其U型結構設計基礎上，闡述了該平臺結構設計的流程，并對該平臺結構強度分析作了詳細的介紹。為該平臺的結構設計提供了重要的參考依據(jù)。研究中的水動力分析及有限元分析所使用的軟件均采用DNV船級社SESAM軟件包中的相關子模塊。
半潛式平臺的結構設計需在總布置和性能分析完成后進行。主要包括結構型式、構件布置、構件尺寸、強度分析泡括總強度、疲勞強度、局部強度無最終獲得滿足設計要求的結構。選定結構型式、進行合理的布置后，根據(jù)構件所受局部載荷，確定構件尺寸，然后進行有限元分析，以判定其是否滿足總強度和疲勞強度要求，凡不滿足要求的構件須進行調整。最后復核平臺結構的重量重心，若與初始值差別較大，則需重新研究平臺的尺度。其結構設計的流程如圖所示。
眾所周知，總強度是船舶及海洋工程結構設計的關鍵所在。下面著重對該平臺的總強度分析方法作介紹。該平臺的主要構造尺度見表，典型作業(yè)工況的海況條件見表，由于該平臺生存工況的海況條件極高，且遠遠超過其他工況，所以考核生存工況下平臺的總強度，具有重要意義。如果該工況的總強度分析滿足有關規(guī)范的要求，則可視為驗證了該平臺結構設計的可行性。因此，本研究僅對生存工況的總強度進行了分析。其中波浪載荷采取短期預報，波浪譜采用TONSWAP譜，譜峰因子取3.30本平臺作為常年作業(yè)于海上油田的海洋結構物，在其壽命期內所遭受的載荷除了自重、起重作業(yè)載荷和靜水載荷之外，還將遭受風載荷、流載荷和波浪載荷。這一類海洋結構物通常采用設計波法確定波浪載荷，并且采用百年一遇的海況。此時流載荷和風載荷與波浪載荷相比是小量，因而環(huán)境載荷只需要考慮波浪載荷的影響。采用設計波法確定半潛式平臺的波浪載荷需要計算典型波浪工況下的設計波參數(shù)被浪周期、浪向、波幅和相位。
計算中采用譜分析方法確定這些參數(shù)。根據(jù)平臺生存工況的海況條件現(xiàn)表，按照ABS《移動式海洋平臺入級與建造規(guī)范》規(guī)定的極限波陡被高比波長久獲得一系列不規(guī)則波短期海況現(xiàn)表。然后，對表所對應的剖面載荷進行短期預報，從中選取最大短期極值作為該剖面載荷的設計值，并結合各剖面載荷響應的傳遞函數(shù)確定設計波參數(shù)。之后，計算平臺所在的各設計波下的運動與濕表面水動壓力，并施加于平臺結構有限元模型之上，進行結構強度分析。根據(jù)ABS《移動式海洋平臺入級與建造規(guī)范》，對于常規(guī)型半潛平臺的構造而言，應考慮圖中特征剖面1，2上如表所示的最大波浪載荷。而該平臺為特殊的U型結構，分析中尚應選取圖中特征剖面2，3，4上如表所示的最大波浪載荷。在不規(guī)則海況的短期預報中，設計波參數(shù)的計算采用譜分析方法。對于生存工況，按照ABS《移動式海洋平臺入級與建造規(guī)范》要求，其波陡為1/1各海況見表。在獲得了水平分離力、扭矩、縱向剪力、縱向加速度、橫向加速度、垂向彎矩、水平彎矩、橫向剖面垂向剪力、縱向剖面垂向剪力的傳遞函數(shù)后，設計波幅可用公式計算得到。
采用SESAM/PatranPre建立了本平臺主體結構的空間板梁組合力學模型。模型整體上采用粗網格單元，網格尺度取為強框間距，應力敏感區(qū)如主要連接區(qū)域則適當采用細網格單元。外板、艙壁板、甲板板采用板單元，縱析、橫梁、縱骨、艙壁扶強材采用梁單元，設備、壓載水、吊重等重量采用質量單元。整個模型包括47309個節(jié)點及173453個單元。理想化的有限元模型和平臺實際重量的差異，可以通過調整材料密度來取得一致。設備重量、消耗品和壓載水的重量，通過相應載況的質量模型體現(xiàn)。對于水動壓力和靜水壓力載荷，SESAM程序可以從三維水動力模型中讀取數(shù)據(jù)自動施加到有限元模型上。并且，還將船體六個自由度的慣性加速度施加到有限元模型上，以保證有限元模型的平衡。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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