经典案例

自升式平台桩靴的强度分析

发布于:2022-10-06 18:05

       随着科技、经济和社会的发展,海洋石油、天然气勘探开发和海上风能利用日益受到关注,海洋能源利用正由近海浅水区域向更复杂、危险的深海区域发展,并逐渐形成投资高、风险大、高新技术密集的能源工业新领域,也带动了海洋移动式平台迅速发展。   
       自升式平台是指具有活动桩腿,且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业的平台,此种平台在海洋开发中被广泛应用,整个平台的稳定性取决于其桩腿和桩靴的几何形状和结构形式,它克服了漂浮式工程船工作不稳定的缺点,海上作业时,桩腿站立于海底,依靠桩靴来承担海底对平台的支撑力,船体升到水面以上,在甲板上作业非常平稳。   
       目前,桩靴结构有限元分析计算主要使用的软件是ANSYS和PATRAN,本文采用SACS软件主要是因为要与桩腿强度计算保持一致,并验证SACS软件用于桩靴结构有限元强度分析的可行性。在DNV规范中对桩靴局部结构有最小板厚要求,结构设计要同时满足规范要求和有限元强度计算要求,所以先进行规范计算,确定满足要求后再进行有限元计算。根据规范要求共计算四种工况,并分析了影响因素和计算方法。
       桩靴的几何形状是根据海底和平台自身的情况而设计,随建造要求而变。计算模型如图所示,底部为棱锥形,在水平面的投影为矩形,最底端带有锥点,用于降低在浅桩靴插人情况下(在沙土或非常硬的粘土中)平台结构滑移的风险。桩腿材料:NVE690a桩靴材料板厚小于50mm,采用NVD36;板厚大于等于50mm,采用NVE36a    有限元建模分析使用SACS 5.3软件,对结构构件进行了适当简化,省略了加强筋、面板和肘板,主要是为了计算趋于安全。单元采用四边形单元和三角形单元,并且尽可能的使用长宽比相等的四边形单元,保持所有单元尺寸基本相等,避免出现细长形单元。桩靴内部结构和单元划分如图2所示。设计首先应该满足规范关于桩靴结构的最小板厚要求,因为只有外板的设计压强值是已知的,所以只能校核外底板及其加强筋的强度。由公式计算出桩靴板厚要求的最小值(计算中考虑海水腐蚀余量),用于校核设计是否满足要求,校核结果如表所示,与板厚校核类似,应用有限元软件SACS 5.3计算桩靴所有结构的应力值。   
       桩靴外底板强结构处的单元节点设置为弹簧约束,弹簧强度的设置参考插靴深度,使变形在合理范围内,为防止模型在水平方向发生位移,在水平方向也应设置弹簧约束。也可采用另一种约束方法,设置桩腿边界为刚性固定,两种设置方法计算结果基本相同,环境载荷已在桩腿受力计算中考虑。


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