一种基于结构强度的半潜平台主尺度确定方法与流程

本发明涉及一种基于结构强度的半潜平台主尺度设计确定方法，属于船舶与海洋工程。

背景技术：

1、半潜平台作为一种常用的海洋结构物形式，它具有抗风浪性好的优点，是目前海上钻井、采矿和科研应用较广的一种平台形式。半潜式平台多为综合处理平台，其上部为工作甲板，下部为浮筒结构，用支撑立柱连接。

2、通常，半潜平台的主尺度需根据可以实现平台功能的浮性稳性快速性要求确定，而后在确定的主尺度基础上设计平台主体的结构形式，从而满足规范给定的整体设计的强度要求。确定主尺度后再设计结构的流程，在常规船型结构物的设计中是合理的，因为船型结构物可以简化为二维船体梁，仅通过经验公式，已经可以大致准确的估算船型结构物的设计载荷，从而对所需的结构尺寸、结构形式等有一定的预期，在设计初期即可对设计效果有较为清晰的把握。但是，对于平台类结构而言，其结构物的形式均为三维立体空间结构，即使简化为梁理论，也是多根梁组成的立体结构。其所受的载荷也不仅是仅和海况选取有关，还和平台自身尺度相关，平台自身的长度、宽度、下浮体间距、立柱间距等均会影响到整个平台的设计载荷，且由于双下浮体的设置，浮体间的干涉也会导致载荷出现高阶的成分，从而使得预测半潜平台的设计载荷变得十分困难，在规范中也没有对于半潜平台设计波浪载荷的经验估计公式。因此，当基于总体性能和功能要求方面确定的半潜平台主尺度，大概率不是最优的结构设计主尺度。而为了弥补总体设计的不足，在结构设计中，可能会需要用到大量的厚板和加强支撑结构，才能使得结构强度达标。在这个加强的过程中，由于结构重量的增加，就会反过来压缩其他设备、燃油备品、可变载荷等的重量空间，或者导致重量重心变化，导致性能损失。

3、因此，要完整的设计一个半潜平台，在基于总体性能设计的主尺度基础上，更需要结合结构强度的要求，选择最合理的尺度，从而控制平台的重量、结构形式，为达到最优的设计性能提供充足的空间。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有半潜平台的设计通常是基于功能和性能的要求确定平台结构的主尺度，并在此基础上进行平台结构的设计。但是考虑到半潜平台设计载荷的复杂性，平台尺度的小改动就有可能会大幅影响结构设计的载荷，从强度考虑，有波浪载荷的叠加问题，从刚度考虑，可能会有噪声和共振的问题。通过对现有主尺度的小幅修改能解决的问题，单纯通过结构加强则需要投入大量的重量和空间。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于结构强度的半潜平台主尺度确定方法，包括以下内容：

3、在半潜平台设计之初，根据平台设计预期的功能和性能要求，预先确定一个主尺度范围作为优化设计的基础。按照所设计平台的运行状态，给出生存、航行等较危险工况下的极端配载，作为设计输入。对于半潜平台而言，对角线装载会带来最大的静水扭矩，因此，装载需要按照实际可能出现的最危险的对角线工况进行设计。其中，以对角线船体首尾和立柱范围内装载为最危险静水扭转工况，但需结合实际可能遇到的工况进行调整，避免设计出不会出现的最危险工况，带来不必要的强度要求，浪费材料和载重指标。

4、最初主尺度和装载需要根据需要实现的功能所需的甲板面积以及排水量初步确定，根据初步主尺度，设计满足规范最低要求的平台主体框架结构，在方案阶段，以较为真实的反映未来平台的刚度的模型为佳，通常对于主传力框架，如井字形的主要支撑结构、上船体内部纵横舱壁和整个船体的外板等结构，需要进行较精确的设计。对于次要构件，可以在大致估算的情况下进行等效设计。

5、在得到主尺度和初步主要结构框架后，通过数值方法进行仿真模拟得到平台在静水和波浪中的设计载荷。并在该阶段对主尺度进行微调，以目标设计载荷最小作为主尺度确定的第一次参照。该阶段的数值计算可以采用水动力分析软件进行。

6、根据初步的线型建立平台的外板湿表面模型，根据初步的装载和结构形式，建立简化的质量模型，以反映较为准确的结构重量重心和惯性半径，对于横撑结构，由于其本身相对波浪来说为细长体，可以通过建立morison模型以反映结构在流体中所受载荷。对于船体本身，在运动计算阶段，可以通过施加阻尼的方式来准确模拟运动，阻尼值通常应根据实验数据获取，但是在在初始阶段可以设置为横摇和纵摇均为0.03，垂荡为0.08。但是在结构响应计算阶段，为考虑拖曳力本身对结构响应产生的影响，除横撑的morison模型外，还应设置沿着船底纵向布置的morison模型。并调整其惯性力系数cm和拖曳力系数cd，使运动和加阻尼时相同，从而在反映其运动的同时，能有效模拟结构载荷。采用morison模型匹配结构阻尼时，可通过调整morison模型的系数，调整morison模型杆件在下浮体的长度和位置进行调整，特别的，在该方案中，下浮体的morison模型对应不同工况，分别布置与不同位置，对航行工况，morison模型布置在舷侧水线下，中间平台与外板交界处，对生存工况，morison模型布置在船底外板与中纵剖面交界处，且morison模型的杆件长度分别为50m和90m。morison模型计算的单位长度结构上的水动力载荷可以由下式计算所得：

7、

8、式中，f为垂直柱体上单位长度上的力，d为柱体直径，cm为惯性系数，cd为拖曳系数，ρ为流体密度，u为相对速度。

9、则，总的morison合力可以通过对f进行积分获得

10、

11、在初步的载荷设计阶段，可暂时不考虑液舱对平台局部结构产生的局部载荷影响，但是液舱的分布需要准确反映在装载手册中，以确定实际计算的重量重心和惯性半径，得到准确的平台在波浪中的运动响应。同时，为了提高该阶段的分析效率，模型尺寸需要进行一定限制，整个湿表面模型的网格数量应当控制在1万以内，质量模型可以采用简单的杆系模型，或者粗糙的板壳模型，能准确反映结构的重量重心和惯性半径即可，重心位置偏差应控制在相应尺度的1％以内。

12、在该种工况下，进行一系列的主尺度设计，主要为下浮体长度和两个下浮体间宽度的选择，该参数对特征长度影响较大，会直接影响平台在波浪中的载荷。在计算中，平台下浮体的长度以给定主尺度为基础，以1％船长长度进行变化，进行正负5％范围内的分析，以1％下浮体间距进行变化，进行正负5％范围内的分析。在计算中，需保证重量重心位置不变，仅考察主尺度尺寸变化对波浪载荷的影响。通常在该范围内的变化已经可以得到较为明显的载荷变化，从而对主尺度进行优选。但是，对于以对角线斜长为特征长度的载荷情况，需要对船长和下浮体间距进行组合才能得到准确的变化趋势，则在±5％范围的船长和下浮体间距的组合情况高达121种，工作量较大，因此可以采取正交法进行筛选，对其中一定数量的组合进行计算即可，提高计算效率。

13、在计算中，需要考虑所有可能遭受到的极值海况的影响，重点关注航行和生存状态下的载荷结果。分析中，需要对最少0～180度浪向和3～30s周期下的工况进行分析，根据所给环境条件下的有义波高结合指定海域的波陡参数，得到不同主尺度的平台在不同浪向角和周期组合下的平台载荷结果。

14、对得到的载荷计算结果进行对比，分析扭转、剪切、加速度等多个主控载荷，得到一系列主尺度梯度下，载荷水平最小的主尺度参数，并以此为基础，进行下一步强度分析。应当注意的是，不同的主尺度对不同主控载荷的影响可能不是同时放大或者减小的，会对主尺度筛选带来较大影响，但是，对于生存状态，可以以横向扭转和纵向剪力作为主要控制载荷，对航行工况则可以横向分离力和纵向扭转作为主控工况，进行初步的筛选，得到第一次筛选后的主尺度。

15、此后，基于该主尺度，进行平台布置和结构设计，得到较为完整的平台信息，并进行粗网格结构模型建模。

16、由于对于平台结构而言，其结构是空间立体分布，各主控载荷的作用也并不是各自独立的，往往会出现不同的控制载荷相互叠加，从而在各个控制载荷均未达到最大值的情况下，出现最大的结构响应，因此，仅仅通过载荷计算确定的主尺度并不能作为最终设计的依据。基于上述原因，通过增加完整的结构模型，基于预报出来的载荷，选出最合理的波浪参数，得到真实准确的结构总强度响应，作为最终确定主尺度的依据。

17、结构模型应准确反应全船主要结构的刚度分布，主要构件均应准确建模，次要构件均可以用梁单元建模，从而减少网格数，增加计算效率。结构模型的网格尺寸可以采用两倍骨材间距，并将应布置在每一档的骨材等效合并成两档一根，从而大幅减小网格数量，提高计算效率。结构模型各区域重量重心应尽量准确，大设备重量和其他空船重量也需要通过调整密度或者用mpc加质量点的方式准确施加在相应位置，同时应注意大范围mpc刚度需要合理设置，避免大范围的mpc影响平台主体的刚度分布，从而引起过大的应力集中，导致无法准确判断船体应力水平和变形。液舱需要提前定义，在计算时需要通过调整液舱布置，来控制计算时的浮态，确保计算时重量重心和吃水均为设计值。

18、类似的，在计算中，需要考虑所有可能遭受到的极值海况的影响，重点关注航行和生存状态下的计算结果。分析中，需要对最少0～180度浪向和3～30s周期下的工况进行分析，根据所给环境条件下的有义波高结合指定海域的波陡参数，得到不同主尺度的平台在不同浪向角和周期组合下的平台载荷结果。

19、对于给定主尺度进行计算后，筛选出产生较大结构响应的设计波，根据各特征值对该设计波对应的控制载荷的影响趋势，对主尺度进行微调。类似的，以1％为幅度，在5％范围内进行增减，直到该控制载荷对应的响应值变小到可以接受的满足要求的数值时，即可认为所选主尺度达到要求。

20、最后，综合各专业的布置要求、航速性能要求以及结构加强代价，对主尺度进行微调，得到最合适的主尺度参数。

21、本发明提出一种基于结构强度的半潜平台主尺度设计方法，优化半潜平台主尺度设计流程，基于结构强度计算对平台主尺度进行调整，增加半潜平台主尺度设计的可靠性，从而在设计中综合考虑平台性能和结构强度的影响，得到最优的平台主尺度。通过本发明公开的方法，对主尺度在5％范围内进行适当调整，即可在设计初期阶段最大限度的降低结构加强的成本，并对其他专业的布置和性能等产生最小的影响，从而大幅提高平台设计的效率和经济性，对该类型半潜平台的设计提供了最好的支持。