典型倒k型桁架式樁腿的有限元分析

典型倒k型桁架式樁腿的有限元分析

更新平臺是世界上最常見的應用程序，其數(shù)量正在增加，在移動平臺上發(fā)揮著主要作用。目前自升式鉆井平臺大致分為:有無懸臂梁,三腿、四腿、五腿結構,獨立插樁式或席底式基礎,圓殼式或桁架式,三角形或四邊形樁腿等自升式鉆井平臺。其中當今最流行的是三腿獨立插樁桁架式自升式鉆井平臺,這種形式相對于圓殼式鉆井平臺具有優(yōu)點:1)結構相對重量輕;2)結構水動力系數(shù)小;3)結構疲勞性能更好;4)結構制造工藝簡單、周期短,等等。本文利用ABS、CCS相關設計規(guī)范及設計理論,借助有限元軟件ABAQUS/AQUA,通過建立詳細的樁腿有限元模型、設置特殊的樁腿邊界約束,對倒K桁架式樁腿進行詳細的有限元分析,主要目的是研究弦桿、水平撐桿以及斜撐的應力和位移變化規(guī)律,并校核樁腿的結構強度。本文研究的意義在于使作業(yè)者和設計者更加深入了解風暴和作業(yè)作業(yè)狀態(tài)下自升平臺樁腿的樁腿性能,及時有效采取措施,避免環(huán)境外力對平臺的破壞。1樁腳結構強度研究1.1隨機分析法和計波法傳統(tǒng)自升式平臺使用靜態(tài)確定性(設計波)法分析,慣常這種方法應用于固定式平臺,用作設計工具和評估平臺性能的方法。大量平臺很好的應用這些方法,然而當自升式鉆井平臺在深水條件和惡劣環(huán)境條件工作時,靜態(tài)設計波法就不能很好被應用了,它影響平臺的動態(tài)性能。根據(jù)固定式平臺經(jīng)驗,設計波法常用于結構固有周期在2.5s~3s。然而自升式平臺和固定式平臺在相同環(huán)境下,結構強度有相當大的差別。更重要是,自升式平臺具有更低的側(cè)向剛度,隨水深的增加,其一階固有周期相應增長,并開始接近波浪周期(例如4s~5s周期或更高),比固定式平臺更易產(chǎn)生共振。因此周期性水動力作用的動力響應可形成水深條件下自升平臺總響應的重要分布,而固定式平臺仍以靜態(tài)方式響應。隨機分析法用于適當評估自然環(huán)境中的結構強度。這種方法可用于時域和頻域分析。在時域分析中,由于要求大量的計算而需要花費很多時間,因此頻域分析更加被行業(yè)內(nèi)所接受。但是頻域分析需要假設所有的加載和結構強度具有線性化的模型。本文所闡述的隨即分析法一直被用于頻域分析中,但是這種分析技術公認具有一個缺點,它會在分析結構中產(chǎn)生一些不確定因素,如:波浪載荷線性化程序、自由表面效應、波峰值的統(tǒng)計學分布。文獻對自升式平臺的線性與非線性研究方法進行了詳細闡述。1.2載荷和載荷作用樁腿所受外部載荷包括平臺的船體的重力載荷、海水浮力載荷和環(huán)境外力載荷。其所受軸向和側(cè)向力可用于計算樁腿的結構強度。樁腿三側(cè)的主弦管是等距的,因此外載荷所引起的內(nèi)力(剪力、彎矩)可由等效模型計算得到。1.3斜撐、水平撐齒條板倒K型樁腿基本結構形式如圖1所示,樁腿主要尺度參數(shù)為:高118m、弦桿中心距9.906m、樁腿節(jié)距3.658m;斜撐及水平(長)撐外徑為0.2191m、水平短撐外徑為0.1683m、水平撐和斜撐桿壁厚均為0.018m、主弦管外徑為0.4m、壁厚為0.04m;齒條板寬度為0.45m、厚度為0.12m、材密度取7.8t/m3;弦桿屈服強度690MPa、撐桿屈服強度315MPa。1.4環(huán)境負荷參數(shù)本平臺工作水深為90m,無限航區(qū),設計壽命30年。所受載荷及環(huán)境參數(shù)如表1,其中D為水深。1.5美國基礎品牌平臺入級與建造規(guī)范設計過程中常采用的規(guī)范包括美國石油協(xié)會(API)、美國鋼結構協(xié)會(AISC)、美國焊接協(xié)會(AWS)和美國移動式鉆井平臺入級與建造規(guī)范(ABSMODU)。規(guī)范中對平臺構件的許用相當應力系數(shù)規(guī)定為:鉆井工況下安全系數(shù)為1.43;風暴工況下安全系數(shù)為1.11。依據(jù)設計規(guī)范,可知:2結構元分析2.1弦桿拖充分析的對比本文采用ABAQUS所提供的梁單元B31建立樁腿模型,其中,水平撐桿、弦管、斜撐截面屬性設置為PIPE,樁腿模型如圖2所示。在以往的樁腿分析中,弦桿的模擬一般通過將弦管與齒條板等效為圓管的方式實現(xiàn)。而由于齒條板形狀的不對稱性,其在不同方向上抵抗變形的能力是不同的,且海流方向與弦桿夾角不同時,相應的水動力拖曳系數(shù)存在較大差異。本文采用梁單元B31及矩形截面屬性建立齒條板模型,并將其與弦管通過TIE單元進行綁定約束,較為真實地模擬出弦桿的真實結構。2.2加載負荷2.2.1重力和重力負荷重力載荷包括平臺主體重力及樁腿自重。平臺主體重力由三個樁腿承擔,每個樁腿所受主體重力再以集中力方式均勻分配至齒輪處6個節(jié)點。2.2.2風壓cs風載荷的計算公式:F風=Ch?Cs?S?P式中,P=0.613v2(Pa)為風壓;S為受風構件正投影面積;Ch為暴露在風中構件的高度系數(shù),Cs為暴露在風中的形狀系數(shù)。分析中,將計算所得風載荷均勻分配至海平面之上12個參考點。2.2.3減波劑拖異形計算樁腿構件截面尺寸與波長相比較小,為小尺度構件,故其單位長度所受波浪載荷由Morison公式計算:其中水質(zhì)點速度和加速度用Stokes五階波進行計算。公式參數(shù)定義詳見參考文獻及SNAMET&R5-5A。樁腿構件單位長度所受海流拖曳力載荷可按Morison公式的拖曳力分量計算:其中,Di為構件有效水動力外徑;CD為水動力拖曳系數(shù);CM為慣性系數(shù)。樁腿構件有效水動力外徑的計算考慮表面有海洋附生物的情況,即Di=D+0.025(m)。斜撐、水平撐桿水動力系數(shù)采用推薦值,即在構件表面粗糙的狀況下,拖曳系數(shù)CD0取1.0,慣性力系數(shù)CM取1.8。弦桿齒條相對于波流方向不同時,弦桿CD不同,可采用如下公式計算:式中,CD1為來流垂直于齒條板時的拖曳力系數(shù),依據(jù)規(guī)范及弦桿參數(shù),CD1取1.8。分析中,波浪方向由垂直于弦桿1齒條板取至平行于弦桿1齒條板,如圖3所示。波浪載荷的大小與相位角密切相關,不同相位角下波浪載荷存在較大差異,故需對最大載荷所對應的相位角進行搜索,搜索結果如圖4所示,可見此桁架式樁腿在相位角為205°時獲得最大波浪載荷。波浪載荷及流載荷均通過在AQUA模塊中編輯關鍵詞施加。2.3鉸支下dm處鉸支樁腿邊界條件的選取是否恰當,直接決定分析結果是否符合實際。分析中,樁腿底部邊界條件依據(jù)規(guī)范取為泥線下3m處鉸支。由于僅建立樁腿模型,故樁腿與平臺連接處的邊界條件如何確定十分重要。本文中,在下固樁架位置的樁腿中心處建立參考點,應用多點約束單元MPC將上下固樁架間的弦桿與參考點綁定在一起,使其始終具有相同的變形,即固樁架所包圍的范圍內(nèi),樁腿始終處于垂直狀態(tài),這與實際情形十分相符,具體詳見圖5示意。3結果討論3.1踢腿厚度3.1.1兩種工況下樁腰misen應力分布特性對鉆井工況和風暴工況下倒K型樁腿進行應力分析,取風、浪、流載荷為同一方向,波浪相位角取205°。兩種工況條件下樁腿分析變形如圖6所示(放大20倍),從左到右載荷方向依次為30°、60°和90°。兩種工況條件下樁腿最大Mises應力結果如圖7所示。由計算分析可見,樁腿線性分析結果與非線性分析結果存在較大差異,且隨載荷角度增大,這種差異越來越明顯。故對于較大長度的樁腿這種柔性結構,進行非線性分析十分必要。鉆井工況和風暴工況下樁腿的最大Mises應力均在105°載荷方向獲得最大值,故105°為最危險載荷方向。而在30°載荷方向(即弦桿2、3為上風弦,而載荷垂直于弦桿2、3所在平面),最大Mises應力值最小。同時,各載荷方向下,最大Mises應力均出現(xiàn)在固樁架下方樁腿弦桿處。可知,鉆井工況下最大應力為:風暴工況下最大應力為:故兩種工況下樁腿弦桿滿足強度要求。3.1.2樁u3000工況非線性分析結果分析發(fā)現(xiàn),載荷方向變化時,樁腿各弦桿應力變化較大,現(xiàn)以風暴工況非線性分析結果為例,說明樁腿弦桿應力分布規(guī)律。由圖8可見,對于不同的載荷方向,自海底至固樁架處,弦桿2所受Mises應力始終處于遞增趨勢。而弦桿1和弦桿3應力分布存在一定變化。3.1.3斜撐應力分布規(guī)律通過分析,樁腿撐桿應力遠小于弦桿應力,以風暴工況105°載荷非線性分析結果為例,說明撐桿應力分布規(guī)律。由樁腿應力分布圖知在樁腿下部區(qū)域,撐桿受應力較大,且弦桿1和弦桿2所在平面內(nèi)撐桿應力高于其他撐桿,故僅選此平面內(nèi)底部9個節(jié)距內(nèi)撐桿,校核其強度,撐桿路徑如圖9所示。斜撐應力分布規(guī)律如圖10所示,靠近海底的節(jié)距1內(nèi)的撐桿所受應力變化趨勢與其他節(jié)距存在差異,自路徑起點開始,應力逐漸下降,在6m左右位置(斜撐與水平撐連接處),應力突然下降,然后不斷上升。其他節(jié)距內(nèi)斜撐自路徑起點開始應力呈上升趨勢,在6m左右位置突然下降,而后緩慢遞減。同時,節(jié)距2斜撐應力最大,隨節(jié)距號增大,應力逐漸減小。從圖11可見,距離海底最近的水平撐桿1應力小于其他撐桿,而水平撐桿2應力最大,隨水平撐桿號增大,應力變小。對于水平撐桿,自路徑起點起,應力緩慢上升,在中點附近應力發(fā)生較小下降,而后突然增大,隨后呈遞減趨勢。由撐桿應力計算結果知,鉆井工況和風暴工況下其最大Mises應力均小于200MPa,而規(guī)范中兩種工況條件下許用應力均大于220MPa,故撐桿滿足強度要求。3.2樁空間荷載方向位移不同載荷方向下樁腿最大位移如圖12所示。可見,樁腿在60°載荷方向具有最大位移值,而在90°載荷方向位移值最小。據(jù)分析,通過有效調(diào)整平臺艏向,降低樁腿的位移,進而有效延長平臺壽命。4齒條板模型的建立及顯著性分析樁腿結構是自升式鉆井平臺最為關鍵的組成部分,其設計直接影響整個平臺的性能好壞。本文利用ABAQUS/AQUA有限元軟件,對某一典型倒K型桁架式樁腿在風暴和鉆井作業(yè)載荷工況下結構強度進行了線性和非線性計算,獲得了弦桿、斜撐和水平撐桿的應力和位移整體分布;詳細分析了載荷方向?qū)ο覘U、斜撐和水平撐桿的應力和位移的影響;參考規(guī)范選取確定材料許