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自升式海洋平台的设计与强度分析

发布于:2016-03-12 19:17
强度分析

      自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。平台主体的平面形状一般有三角形(三腿)、矩形(四腿)和五边形(五腿)等,如图所示。平台主体通常是一个具有单底或双层底的单甲板箱形结构。其内部根据作业、布置和强度要求设有纵舱壁和横舱壁,但在桩腿之间的连线上必须设置强力舱壁作为平台主体的主析材。甲板、底板、舱壁等和一般船舶一样需要扶强材或强析材加强。为了增加海洋平台的作业范围及功能,船东提出了一个中间大开口矩形平台主体的设计方案。
      由于中间大开口,平台主体实际上相当于两个船体与两个连桥的组合体,整个平台的总纵强度受到很大的削弱。对于这种特殊的结构形式,按照现有的平台建造规范进行设计,其结构可能是偏于危险的。因此,为了保障平台的安全性,本研究对平台整体进行了三维有限元分析,并提出了结构强度分析的改进方案。平台结构主体部分全部采用普通碳素钢,屈服应力和许用应力分别取23SMPa和141MPa,固桩室和桩腿采用高强度钢,屈服应力和许用应力分别取355MPa和213MPa。
      平台主体结构有限元分析采用空间板梁组合模型,即平台结构中的板全部简化为空间板单元,平台骨架如纵析、纵骨、横梁、肋骨等全部简化为空间梁单元,在平台内部还有很多撑杆,用空间杆单元来处理。固桩室同样简化为空间板梁组合模型。桩腿简化为圆管梁。平台整体三维有限元模型节点总数为21602个,单元总数为41566个,其中板单元24474个,梁单元16612个,杆单元480个。在自存工况下,根据不同的海况分析三种计算方案,即平台在满载情况下,分别受纵向、横向和斜向三个方向的风浪流载荷。同时考虑海底横向倾斜1度,且只有三条桩腿插入海底。经过三维有限元分析,发现平台主体的总体强度是偏弱的。
      平台在四个区域的等效应力是比较大的。1)两个连桥部分的横舱壁应力值是很大的,尤其是最外侧的封板。整个平台的最大等效应力为243MPa,出现在连桥与船体相接的肘板处。由于连桥的高度只有船体的一半,因此从总体上讲,连桥部分是个薄弱环节。2)在平台首部的开口处,外板的等效应力也很大,最大值达到207MPa。3)由于平台中间开了一个大方口,在四个拐角处的应力集中是很严重的,最大等效应力为205MPa。虽然局部采用了高强钢,但当考虑到疲劳问题时,它仍然是个敏感部位。4)平台左右舷侧的等效应力也很大,最大值达到200MPa。平台在中间开口以后,其总纵强度受到很大削弱,在这种情况下,实际上就靠四个纵舱壁来承受。另外,固桩室结构相对较强,在船体与固桩室连接处,难免会出现应力集中现象。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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