（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）非线性载荷下半潜式平台强度评估方法研究.pdf

f 1 f c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g s t r e n g t h a s s e s s m e n tm e t h o dr e s e a r c hf o r s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o r mb a s e do n n o n 1 i n e a r 肠y el o a d s c a n d i d a t e ：f ud i a n f u s u p e r v is o r ：p r o f r e nn u il o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fn a v a l a r c h it e c t u r ea n do c e a ns t r u c t u r e d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j a n u a r y ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 0、r f l 、r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：彳钢岛 日期： 加口7 年f 2 月叩日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可回在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 纠爷编 导师( 签字) ：1 色黝 日期：矽p c 年上月2 7 日纠p 年r 月缈日 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 摘要 半潜式平台是一种适用性广泛的海洋能源勘探开发平台。为确保其结构 的安全性，对平台进行结构安全评估是十分有必要的。半潜式平台的强度评 估方法大致有两种：一种是设计波法，另一种是设计谱法。平台的运动响应 分析方法分为频域线性与时域非线性两种方法；计算平台波浪载荷的方法也 分为线性与非线性两种方法。各个船级社规范对于强度评估标准也不尽相同。 随着海洋工程的不断向深海挺进，有必要对上述各种非线性的方法进行研究。 本文对上述问题进行了详细的论述，主要包括以下几方面内容： 1 采用设计波法计算作用于半潜式平台上的波浪载荷。分别根据a b s 与d n v 规范确定设计波参数，对比计算结果并分析两种方法的差异。 2 分别使用频域线性方法与时域非线性方法对该实例平台的运动进行预 报，分析比较两种方法预报结果的异同。并且在频域线性方法中考察系泊系 统的对平台运动与结构响应的影响； 3 分别应用线性绕射理论和m o r i s o n 方程计算大浮体和小尺度构件上的 波浪载荷。并提出了一种便于工程实际应用的非线性波浪载荷计算方法，该 方法基于对线性波浪载荷进行非线性修正进而得到非线性波浪载荷； 4 对一现有半潜式平台，针对不同的工况组合，研究探讨最危险工况的 载荷组合合理性，并进行整体结构的有限元分析； 5 研究半潜式平台整体强度评估的原理、方法和准则，研究平台屈服、 屈曲强度评估的技术细节。分别评估线性与非线性波浪载荷作用下的屈服、 屈曲强度并对所得结果进行比较分析。 关键词：半潜式平台；设计波；运动响应；强度评估；非线性 ，j t 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t s e m i 。s u b m e r s i b l ep l a t f o r mi sak i n do fo c e a ne n e r g ye x p l o i t i n gp l a t f o r m w h i c hi sw i d e l yu s e d i t sn e c e s s a r yt oa s s e s st h es t r u c t u r es t r e n g t ho ft h eu n i ti n o r d e rt oe n s u r ei t ss e c u r i t y t h ed e s i g nw a v em e t h o da n dt h ed e s i g ns p e c t r u m m e t h o da r et w om a i nm e t h o d st oa s s e s ss t r u c t u r es t r e n g t ho fs e m i s u b m e r s i b l e p l a t f o r m ；t h el i n e a ra n a l y s i si nf r e q u e n c yd o m a i na n dt h en o n l i n e a ra n a l y s i s i nt i m ed o m a i na r et w om a i nm e t h o d st o p r e d i c tt h em o t i o nr e s p o n s e ；t h e m e t h o do f c a l c u l a t i n gt h ew a v el o a d sc a na l s ob ed i v i d e di n t ot w ok i n d s - - - l i n e a r m e t h o da n dn o n l i n e a rm e t h o d b e s i d e s ，t h em a i ns h i pc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t yh a s t h ed i f f e r e n tp r i n c i p l eo fs t r e n g t ha s s e s s m e n t i t s n e c e s s a r yt os t u d yt h e n o n - l i n e a rm e t h o d sm e n t i o n e da b o v ew i t ht h ec o n s t a n t l ya d v a n c et ot h ed e e p - s e a o ft h eo c e a ne n g i n e e r i n g i nt h i st h e s i s ，t h e s ei s s u e sa r ed i s c u s s e da sf o l l o w s ， 1 t h ed e s i g nw a v em e t h o di sa p p l i e dt oc a l c u l a t et h ew a v el o a d so nt h e p l a t f o r m t h ed e s i g nw a v ep a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e db ya b sg u i d e l i n ea n dd n v g u i d e l i n er e s p e c t i v e l y , a n dt h e nc o m p a r et h ed i f f e r e n c e so ft h et w om e t h o d s 2 u s el i n e a rm e t h o da n dn o n l i n e a rm e t h o dt op r e d i c tt h em o t i o n r e s p o n s e s r e s p e c t i v e l y , a n dt h e nc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n tr e s u l t s t h em o o r i n gs y s t e mi s t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h ef r e q u e n c yd o m a i nl i n e a rm e t h o d ，a n dt h e nt e l l i n g t h em o o r i n gs y s t e m si n f l u e n c eo nt h em o t i o na n dt h es t r u c t u r er e s p o n s e s 3 c a l c u l a t et h ew a v el o a d sw h i c ha r ea p p l i e di nt h e l a r g ed i m e n s i o n s t r u c t u r eb yt h el i n e a rd i f f r a c t i o nt h e o r ya n dt h es m a l ld i m e n s i o ns t r u c t u r eb y m o r i s o ne q u a t i o nr e s p e c t i v e l y p r o p o s eak i n do f e n g i n e e r i n gf a c i l i t a t e dm e t h o d o fc a l c u l a t i n gn o n l i n e a rw a v el o a d s t h em e t h o di sb a s e do nt h en o n 1 i n e a r c o r r e c t i o nt ot h el i n e a rw a v el o a d s 4 r e s e a r c ht h ed i f f e r e n tl o a dc a s e sa n d a n a l y z et h ee n t i r es t r u c t u r eb yf e m 5 r e s e a r c ht h et h e o r y , m e t h o d ，p r i n c i p l eo fg l o b a ls t r e n g t ha s s e s s m e n ta n d ：，j， 哈尔滨工程火学硕+ 学位论文 t h ed e t a i lo fy i e l d i n ga n db u c k l i n gs t r e n g t h a s s e s st h ey i e l d i n ga n db u c k l i n g s t r e n g t hu n d e rt h el i n e a ra n dn o n - l i n e a rw a v el o a d sr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：s e m i - s u b m e r s i b l ep l a t f o r m ；d e s i g nw a v e ；m o t i o nr e s p o n s e ； g l o b a ls t r e n g t h ；n o n l i n e a rw a v el o a d s rj 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的目的和意义1 1 2 课题的研究现状2 1 2 1 国内外半潜平台发展现状“2 1 2 2 浮体运动与波浪理论的发展5 1 2 3 海洋工程浮体设计载荷研究进展“7 1 2 4 平台强度评估方法进展”9 1 3 本文的主要工作1 0 第2 章平台设计载荷计算方法1 2 2 1 概j 苤1 2 2 2 海洋工程中的海况”1 3 2 2 1 典型波浪工况1 3 2 2 2 设计波方法”1 4 2 2 3 波浪参数确定方法1 6 2 3 系泊系统的等效方法1 8 2 4 波浪载荷计算方法及软件2 1 2 4 1 波浪理论2 1 2 4 2 波浪载荷的计算方法2 2 2 4 3 波浪载荷的计算软件2 9 2 5 波浪载荷计算的非线性修正方法“2 9 2 6 本章小结31 第3 章非线性波浪载荷计算与运动响应分析”3 2 3 1 概j 苤3 2 3 2 波浪参数的计算3 2 3 2 1 波浪参数的确定3 2 3 2 2 确定性设计波法计算结果分析3 8 3 2 3 确定性设计波法计算程序界面3 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 3 平台运动响应分析4 0 3 3 1 频域线性分析结果4 0 3 3 2 考虑系泊系统后平台剖面载荷响应4 2 3 3 3 时域非线性分析结果4 4 3 3 4 两种方法分析结果对比4 7 3 4 波浪载荷的计算5 l 3 4 1 线性波浪载荷计算“5 1 3 4 2 非线性波浪载荷计算5l 3 5 本章小结5 4 第4 章平台结构模型与结构响应分析5 5 4 1 平台结构模型“5 5 4 1 1 平台结构概述5 5 4 1 2 有限元模型”5 5 4 1 3 边界条件5 8 4 1 4 设计载荷施加5 9 4 2 平台结构应力对比分析“6 0 4 2 1 平台结构应力- 6 0 4 2 2 系泊系统对平台结构应力的影响6 2 4 2 3 非线性修正波浪载荷对平台结构应力的影响6 4 4 3 本章小结”6 9 第5 章平台整体强度评估7 0 5 1 概述7 0 5 2 屈服强度评估7 0 5 2 1 屈服强度评估方法7 0 5 2 2 屈服强度评估实例7 2 5 3 屈曲强度评估7 5 5 3 1 平板与加筋板7 5 5 3 3 柱壳板“8 2 5 4 本章小结8 7 结论”8 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 参考文献9 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 5 致j 射“9 6 附图各工况应力云图9 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 能源危机是当今人类面对的很大挑战，随着人类对石油资源需求量的急 剧增大，陆地及近海油气资源的开发的日渐饱和，石油开采转向深海已成必 然趋势。传统的导管架等平台由于自重和成本的大幅度增大而不适合深水开 发，因此适于深海作业的钻采生产系统成为了国际海洋工程界研究的热点。 半潜式平台是一种适用性广泛、自身性能良好的深海能源勘探开发平台【l 】。 随着对海洋平台复杂性的深入了解，由极端的海洋环境造成的海洋结构物的 损伤、破坏甚至塌覆将造成巨大的人员伤亡和经济损失还会污染海洋环境偶 有发生1 4 1 。2 0 0 1 年3 月当时世界上最大的半潜式海上油井平台之一巴西石油 p 3 6 号半潜平台沉没造成1 1 人死亡和巨大的经济损失，事故损失超过5 亿美 元，数千加伦原油和柴油流入大海给出事海域带来了巨大的生态环境危机。 该事故给巴西造成重大经济损失和环境污染【5 】。所以人们越来越认识到海洋 结构物结构安全性分析是必要的【2 5 】。为什么如此多的原本均满足设计要求的 平台却发生如此惨痛的事故，在浅海的自升式和导管架平台的强度评估过程 中，目前大都采用非线性的方法计算设计载荷，因此在评估深水半潜式平台 时是否也应该重点考虑其设计载荷中的非线性因素，这一点引起了工程界的 广泛关注，所以应用正确合理的评估方法对半潜式平台进行评估，及时发现 问题解决问题，将事故发生率降到最低意义重大【3 1 】。 在结构设计中正确的确定海洋环境条件显得十分重要。海洋环境条件引 起的载荷包括波浪载荷、风载荷以及流载荷等等，其中波浪载荷是平台设计 中需要主要考虑的一种载荷。海洋工程浮体波浪载荷计算的发展经历了一个 从二维方法到三维方法、从线性理论到非线性理论的发展历程【2 6 1 。随着海洋 工程浮体向深海恶劣海域发展，以及对其结构设计安全性的更高要求，对浮 体波浪载荷计算中的非线性效应的研究也逐步开展起来，特别是风暴状况下 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 羽 的大幅波浪载荷使半潜式平台结构破损的事故时有发生，因而迫切需要提出 一种能够在海洋工程浮体结构评估过程中预报其非线性大幅波浪载荷，并满 足工程需要的精度和效率的有效方法【3 4 】。 在各个船级社规范中，半潜式平台的强度评估方法大致有两种：一种是 设计波法，另一种是设计谱法，两种方法各自有其优缺点，但目前看来设计 波法是目前的主导评估方法。平台的运动响应分析方法分为频域线性与时域 非线性两种方法；计算平台波浪载荷的方法也分为线性与非线性两种方法； 对平台结构进行有限元计算时也分为线性有限元法与非线性有限元法；各个 船级社规范对于最终的屈服、屈曲评估标准也不尽相同。目前世界上主要应 用于工程实践的普遍是线性方法，但是由于线性方法并不能完全真实的模拟 恶劣的海洋环境，随着海洋工程的不断向深海挺进，计算机技术的不断发展， 有必要对上述各种非线性的方法进行研究。 本文最终目的在于通过线性与非线性两种不同的方式来考察半潜式平台 的运动特性、确定半潜平台的波浪载荷；并对某一半潜式平台在风浪流的极 端载荷作用下，进行完整结构的承载能力分析，从而给出一套合理的半潜式 平台整体强度评估方法，得到强度评估过程中一些关键环节的合理解决方案； 并对线性与非线性载荷作用下的评估结果进行分析比较。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 国内外半潜平台发展现状 半潜式平台自2 0 世纪6 0 年代初出现以来，得到了较大的发展和应用， 这种靠立柱穿透水面以减小水线面面积的设计思想成功的导致了随后一系列 三角形、五角形、矩形等各种甲板形状的平台的出现。考虑投资成本、工作 水深范围、井口数目、服务年限和工作地域等因素，半潜式平台将是更佳的 广选择【2 3 1 。全世界半潜式平台发展情况如图1 1 、1 2 所示： 2 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 蓬 坦 密 弱 掇 图1 1 世界范围内半潜式平台数量发展趋势 墓童i 寻嚣8 主砻点藿童萋主墨i 善翕器主舌差卺害萋砉童i 导黉g 主蠢点建童冬主 图1 2 全球半潜式钻井平台利用率变化情况 由图1 1 可见半潜式平台在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年在数量上有了跳跃式 发展。图1 2 可以预见全球半潜式钻井平台利用率正在逐年增加。 目前国外的半潜式平台大都已从第一代发展到第五代，而且第六代半潜 式平台亦在设计建造中，新一代半潜式平台的结构形式、性能以及作业功能 都发生了很大变化，主要有以下特点【1 】【6 - 9 】： ，厂t 1 ) 工作水深显著增加。1 9 9 8 年新建和在建1 9 艘半潜式平台中，1 7 艘平 台工作水深超过1 5 2 4 m ，最深工作水深为宾果( b i n g o ) 9 0 0 0 系列1 - - - 4 号。 其工作水深均为2 8 9 0 m 。可预料未来2 0 年内将有工作水深达4 0 0 0 - - 5 0 0 0 m 的半潜式平台出现。 3 耋锨撕黼雠蝻麟躺|黼铬 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 2 ) 适应更恶劣的作业海域。随着动力配置能力的增大和动力定位技术的 新发展及半潜式平台本身良好的抗风浪性能，平台向着适应更恶劣的作业海 域甚至达到具备全球全天候的工作能力方向发展。 3 ) 大的甲板可变载荷和大的甲板空间。采用先进的材料和优良的设计， 平台自重相对减轻、可变载荷增大，以适应更大的工作水深和钻深；甲板空 间的增加提高了作业的安全可靠性。 4 ) 结构形式日益简化。半潜式平台整体外形结构日趋简化，立柱数目从 早期的8 根、6 根减少为现在的4 根，撑杆节点型式简化、数目大幅度降低， 并有最终取消各种形式的撑杆和节点的趋势。下浮体由原先的鱼雷形、船形 简化为现在的简单箱形，甲板主体也为规则的箱形结构，并出现1 - - 2 m 的双 层底。 5 ) 采用高强度钢。采用强度高、韧性好、可焊性好的高强度和甚高强度 钢，以减轻平台钢结构自重，提高可变载荷与平台钢结构自重比，提高总排 水量与平台钢结构自重比。高强度钢( 0 5 , = 4 2 0 m p a 4 6 0 m p a ) 的使用目前 比较普遍，甚高强度钢( 仃。= 7 0 0 m p a 8 2 7 m p a ) 也已用于建造平台的重要 结构，超高强度钢( c r x 1 0 0 0 m p a ) 可望投入实际应用。 6 ) 装备新一代的先进钻井设备、动力定位设备和发电设备。半潜式平台 的功能由最初单一的钻井或采油向着钻井、修井、采油、生产处理等一体化 的趋势转变。 7 ) 仓储容积大型化。半潜式平台的作业海区通常远离大陆，为延长其在 海洋上的自持能力，仓储容积均较大。如饮用水超过1 0 0 0 m 3 ，燃油储备超过 4 0 0 0 m 3 。 8 ) 多功能化、系列化。深海半潜式平台的造价较高，如b ps s e d h o s e 造价为4 4 亿美元。最大程度地利用平台在实际运营中受到关注，许多平台 具有钻井、修井、采油、生产处理等多重功能。配有双井系统的平台，可同 时进行钻修井作业，钻井平台上增加油、气、水生产处理装置及相应的立管 4 哈尔滨下程大学硕士学位论文 系统、动力系统、辅助生产系统、生产控制中心等，即成为生产平台。平台 利用率的提高降低了深海油气勘探开发的成本。 我国在海洋工程事业起步较晚，深海钻采装备都处于前期开发研究阶段， 但追踪世界海洋油气开发工程的发展趋势，采用半潜式平台进行深海勘探钻 井是必然趋势。目前我国自行开发研制的海洋油气开发装备主要是导管架平 台与自升式平台，这些平台的工作区域主要集中在浅海和近海海域，水深基 本都小于1 5 0 m ，深水开发技术能力与国际水平差距较大。国内出现的第1 艘半潜式平台“南海2 号”是1 9 7 8 年初从挪威引进的a k e rh 3 型平台，而自 主研发和建造的第1 艘半潜式钻井平台“勘探3 号”直到1 9 8 4 年才出现，介于 第2 代和第3 代半潜式钻井平台之间，达到当时国际同类型平台的先进水平。 但遗憾的是，在此后相当长的一段时间内，技术研究工作未有实质性的进展。 近年来，随着油气能源需求量的大幅度增加、人们海洋意识的提高、国 家对海洋工程领域投资的增加，深海勘探技术、新型半潜式钻井平台的研制 得到了一定的发展。如大连理工大学与大连新厂合作，于2 0 0 1 年完成了 b i n g 0 9 0 0 0 型半潜式钻井平台主体结构优化设计研究报告；2 0 0 6 年3 月， 由中国船舶工业第7 0 8 研究所与上海外高桥造船有限公司共同承担的国防科 技工业民用专项科研技术项目“新型多功能半潜式钻井平台”的研究取得重大 成果，基本完成平台初步设计方案等。2 0 0 9 年4 月2 0 日，中国海洋石油总 公司投资建造的我国首座3 0 0 0 m 深水半潜式钻井平台在上海外高桥船厂进坞 铺底，标志着深水半潜式钻井平台将由分段建造全面进入到总装合拢阶段， 此举在中国海洋油气开发和海洋工程制造中，具有重要的里程碑式的意义。 中石油也在紧锣密鼓地筹划深水钻井平台，目标很明确，就是对准南海的深 水区块和海外市场。 1 2 2 浮体运动与波浪理论的发展 自从w e i n b l u m a n d s t d e n i s t 强】在1 9 5 0 年作了开创性的工作以来，浮体运动 和波浪载荷理论研究已取得了显著的进展。s t d e n i s a n dp i e r s o n 3 3 】受电磁理论 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 的启发，将频谱分析方法引入到船舶工程领域，使得不规则波中船舶运动和 波浪载荷预报成为可能。 海洋工程浮体波浪载荷计算的发展经历了一个从二维方法到三维方法、 从线性理论到非线性理论的发展历程。二维切片理论首先在船舶工程中迅速 发展起来，它在求解船舶运动的同时，可以得到船体剖面剪力、弯矩及湿表 面的压力分布。更为重要的是，它可以对不同的波长、浪向和航速进行同样 的计算，进一步应用频谱分析方法，还可以预报船舶在给定波谱下的运动、 受力的短期和长期统计特性。然而，切片理论是建立在平面势流理论基础上 的，实际浮体的三维效应是不应被忽略的，特别是对于不满足细长体假设的 海洋工程浮体。计算和试验经验表明，尽管切片理论能够较好地预报浮体摇 荡运动，但对于剖面载荷和脉动压力载荷的预报精度还有不足之处，而这两 种载荷对于浮体结构设计和分析是至关重要的，因此三维水动力理论的研究 与应用越来越受到重视。此外，随着海洋工程浮体向深海恶劣海域发展，以 及对其结构设计经济性的更高要求，对浮体波浪载荷计算中的非线性效应的 研究也逐步开展起来【1 3 1 。 目前波浪理论的种类繁多，但在工程实际应用中，适用于不同水深范围 的波浪理论有微幅波理论、斯托克斯五阶波理论、椭圆余弦波理论、孤立波 理论。在工程计算中应根据具体情况选择合适的波浪理论【1 4 1 。 对于在较深海区作业的半潜式平台，司托克斯五阶波和艾里波这两种理 论是许多种理论中较好的。马志刚1 5 】对这两种波的波型、水质点速度、计算 简便性等方面进行了对比，指出用司托克斯五阶波分析半潜式平台上的波浪 载荷相对更好。但是真正将这种波浪理论用于大型有限元分析还没有很好的 实现途径。 目前，大多数水动力分析理论均是基于势流理论，无法考虑流体的粘性 效应，也没有考虑系泊系统对平台运动的影响。因而理论预报的平台垂荡运 动在固有周期附近将远大于实际值，需要通过与模型试验的对比分析，确定 平台垂荡运动的临界阻尼，以对理论预报方法进行修正。一般而言，平台垂 6 一 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 荡运动的临界阻尼介于2 7 之间【2 9 1 。 1 2 3 海洋工程浮体设计载荷研究进展 目前作用于海洋工程结构物上的波浪载荷的计算方法基本分两种：设计 波法和设计谱法【l0 1 。设计波法是根据平台工作地区的环境条件和设计的要 求，选取平台可能遇到的最大的波浪作为设计波，规范通常规定使用百年一 遇的最大规则波，然后计算平台在设计波作用下的运动、载荷和构件应力， 并根据规范的强度要求校核平台的结构安全性。设计波方法的优点就是能够 直接反应各载荷分量的相位信息，且比较容易考虑非线性效应【1 3 】。设计谱法 是通过长期波浪统计资料求得最大波( 此时是有效波) ，继而取具有此有效波 高与波浪周期的波谱，将此波谱作为“设计谱”。但是设计谱法对于整体强度 评估而言计算量过大、耗时过长，目前主要用于疲劳强度分析，并且设计谱 法法中波浪力和锚链力的非线性问题很难直接考虑，尤其是恶劣海况时的非 线问题，通常都要近似地做线性化处理【2 1 1 。因此设计谱法比设计波法复杂， 计算量也大得多，目前工程实际中使用较少，设计波法占主导地位【1 4 】。 目前，半潜式平台的设计载荷常用设计波法确定，其中在设计波参数计 算中采用三维线性水动力理论。刘海霞和肖熙【35 】分析了半潜式平台受波浪载 荷的情况，采取m o r s i o n 公式和势流理论相结合的方法计算其设计载荷。然而， 目前在设计载荷计算中均很少考虑载荷非线性效应的贡献。设计波法中通常 按5 0 年或1 0 0 年可能发生的最大波高的波浪来定义。龙翔程【4 3 】在其论文中指 出：5 0 年波和百年波都是极端海况的极端波，其非线性特征非常显著。因此， 线性波理论以及低阶非线性波理论在海洋平台等的实际工程应用中可能存在 偏差。 黄华【4 0 】等指出按现行的一般工程算法，对波浪载荷的估算通常采用线性 波理论，或仅对小尺度圆柱计入非线性入射波的影响。事实上，多数海工圆 柱一般均有较大几何尺寸，非线性水波绕射作用的影响在相当范围的海域内 十分明显。研究资料表明：按规则波的方法，理论上对线性波浪载荷有影响的 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 非线性波主要有s t o k e s 有限振幅波、浅水波等一些典型水波【4 1 1 ，其中又以 s t o k e s 一- - 阶波为最基本之波型。鉴于二阶波理论为对线性法的最直接修正， 且其通常可适用于最常见的非线性波的海况条件，故在工程上应首先考虑引 入对二阶波浪载荷的有效算法。 曾晓辉【3 0 】等指出，国外公司在进行工程设计时，一般采用商用软件( 线 性分析和二阶频域解) 加上大量试验的办法。线性分析结果和实际情况相差 较远；即使综合考虑线性解和二阶频域解也难以完全解释实验结果，这又影 响了实验结果的使用。 f b l a n d e a u 等【4 5 】对使用三维线性频域理论结合了静水压力修正f p s o 的 名义水线以下的任意点的水动压力进行了计算，对名义水线以上部分水动压 力进行了非线性修正。 n o b u h i r o 4 2 1 采用分布奇点法计算任意形状物体在波浪上的运动与水动压 力，并实际计算了直立圆筒、浅吃水箱形船以及半潜式平台的水动压力，与 试验结果进行了比较。 柏威】在其论文中应用二阶s t o k e s 摄动展开建立二阶边值问题。物体的 二阶运动方程同样采用迭代过程进行数值求解。对二阶物体表面边界条件采 用数学手段，推导出一个没有二阶空间导数的表达式。对漂浮截断圆柱进行 了计算。讨论了规则波下漂浮结构的二阶水动压力影响和运动状态，计算的 结果同已有结果十分吻合。 张海彬1 4 6 】等给出了一种预报船体湿表面脉动压力响应的三维非线性时 历模拟方法。计及瞬时物面变化引起的各种非线性因素，在时域内建立船体 非线性运动方程。在每一时刻，认为船体以其瞬时平均湿表面为平衡位置做 简谐振荡运动，利用三维线性频域解来简化运算。在此基础上，进一步将绕 射和辐射问题在静平衡位置求解，仅考虑占主导地位的入射波和静恢复力变 化的非线性，作为一种兼顾工程需要的计算精度和计算效率的简化方法。 随着海洋平台不断想深海发展，使用水深不断加大，所面临的海洋环境 也空前的复杂多变，尤其是风暴状态下的波浪使用三维线性理论是不合适的， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 因此必须要考虑非线性波浪载荷。 1 2 4 平台强度评估方法进展 在风浪作用下，半潜式平台始终处于运动状态，因此对平台的载荷进行 计算是一个非常复杂的动力问题，难于精确计算【2 3 埘】。目前比较普遍使用的 方法是将动力问题转化为准静力问题来处理，从而简化计算，并且精度满足 工程上需型1 9 】。即在强度评估中只考虑平台运动加速度的影响，略去其它运 动和位移的影响，达到简化计算的目的。 波浪载荷研究的最终目的就是为结构设计服务，即在充分考虑并准确计 算船舶或海洋平台在生命期内可能遭遇的载荷的基础上，给出合理的设计计 算载荷，使结构设计更为经济合理。目前，在船舶与海洋结构物设计过程中， 主要采用规范设计法和直接计算法。其中后一种方法由于能够更为真实地考 虑结构实际的受力情况，在工程设计中越来越被广泛地采用【3 6 1 。 平台的整体结构最初是理想化为空间桁架结构，采用m o r i s o n 方程法计算 结构上的波浪力，精度相对较低【1 6 】1 2 2 】，m o h a m a dj t e r r o 等分析了线性和非 线性的m o r i s o n 方程，并给出了他们推荐的修正m o r i s o n 方程【2 6 。2 7 1 。 随着计算机技术的发展及精度要求的提高，处于半潜状态的平台逐渐被 空间板梁组合或纯壳单元模拟的有限元模型代替，波浪力的计算是使用切片 法、建立在势流理论上的三维源汇分布法或g r e e n 函1 数法【1 7 】。鉴于半潜式平台 各部分结构型式的较大差异，将m o r i s o n 公式和势流理论相结合的方法是计算 湿表面波浪压力的较合理的方法。然而，张海彬【1 3 】认为随着半潜平台使用海 洋环境范围的不断扩大，对半潜平台结构设计安全性的更高要求，很有必要 对平台设计载荷中的非线性效应进行研究。 当使用通用有限元软件对浮体进行结构分析时，需要将计算所得的波浪 载荷以一定的形式加载到三维有限元模型上，任慧龙【2 8 】等基于 m s c n a s t r a n 软件的p c l 语言研究了准静态结构分析中压力的自动加载方 法。这种方法大幅减少了数据加载的时间，避免了数据输入错误的发生，大 9 哈尔滨工程大学硕士学何论文 大提高了工作效率和准确率。 综上所述半潜式平台的强度评估的标准基本上以规范为根本依据，但是 结构有限元计算分析的各部位单元模拟型式、强度校核部位、应力成分提取、 处理方法等各规范或指南都未作明确说明，有待进一步研究和完善【3 7 1 。但是 对于强度评估，波浪载荷的计算是至关重要的，对于船舶与海洋工程总体评 估中的非线性波浪载荷的计算方法国内外不少学者也做过不少有益的探索， 但是用于半潜式平台的整体强度评估的实例还很少。 1 3 本文的主要工作 本文的的主要工作是依据a b s 、d n v 船级社颁布的移动式海上平台建 造与入级规范中关于半潜式平台的规定及其他文献和资料，对半潜式平台载 荷计算和强度评估过程中存在的一些问题进行研究，并给出相应的解决方案。 具体工作如下： 1 采用设计波法计算作用于半潜式平台上的波浪载荷。分别根据a b s 规范、d n v 规范用确定性方法确定设计波参数，对比计算结果并分析两种方 法的差异。并对确定性方法中的波浪周期的区间的选取进行详细分析； 2 鉴于以往平台计算中没有考虑系泊系统对平台运动的影响，在计算波 浪载荷时考虑系泊系统的影响，进一步考察在峰值附近频率区间的波浪载荷 及其结构响应； 3 分别使用频域线性方法与时域非线性方法计算平台运动响应，对该实 例平台的时历运动进行预报，分析比较频域线性与时域非线性方法预报结果 的异同点； 4 分别应用线性绕射理论和m o r i s o n 方程计算大浮体和小尺度构件上的 波浪载荷。并探讨一种便于工程实际应用的非线性波浪载荷计算方法，该方 法基于对线性波浪载荷进行修正而得到非线性波浪载荷； 5 对一现有半潜式平台，针对不同的工况组合，研究探讨最危险工况的 载荷组合合理性，并进行整体结构的有限元分析； 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 以上述内容和规范为基础，研究半潜式平台整体强度评估的原理、方 法和准则，研究平台屈服、屈曲强度评估的技术细节。分别评估线性与非线 性波浪载荷作用下的屈服、屈曲强度。对所得结果进行比较分析。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第2 章平台设计载荷计算方法 2 1 概述 设计载荷是指一切可能影响平台安全与工作的载荷。载荷的分类方法有 许多种，如有的分成环境载荷和工作载荷；有的分成静载荷和动载荷；有的 分成确定性载荷和随机性载荷；也有的分成设计载荷、校核载荷和特殊载荷。 半潜式平台规范中常用的载荷分类方法是1 4 8 】：环境载荷、工作载荷和特殊载 荷三种。 l 、环境载荷 环境载荷是指直接或者间接由环境作用引起的载荷，作用在结构物上的 载荷。由于直接的自然环境作用而发生的环境载荷一般由风载荷、波浪载荷、 海流载荷、地震载荷、冰载荷、温度变化引起的载荷等组成。对工作于深水 的半潜式平台，基本的环境设计载荷是风、波浪和海流产生的力。由间接的 自然环境用作而发生的载荷，如系泊力，它是对于环境载荷的反作用力；惯 性力，它是由于平台在漂浮状态时在风、浪等外力作用下平台运动产生的力。 对于工作于深水的半潜式平台需要考虑系泊力、惯性力等环境载荷引起的外 力。 2 、工作载荷 工作载荷也称使用载荷，工作载荷是指在理想的环境条件下( 即没有环 境载荷) ，由于结构的存在、使用和处理而产生的载荷，包括结构、设备等的 重量和在钻井、油气生产等作业中发生的载荷。除重量外，其余的工作载荷 都属于动载荷。结构强度评估时一般把动载荷的最大值看作静载荷，按照结 构物或构件处于最不利的状态布置，因此工作载荷由平台自身的要求决定， 通过操作手册直接加载。 3 、特殊载荷 特殊载荷( 也称意外载荷) 是在平台使用年限内出现几率很小的载荷， 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 它是由于意外的环境条件( 如地震) 或者平台发生事故( 如着火、爆炸、碰 撞) 而发生的载荷，所以也称事故载荷。 一般半潜式平台强度评估通常只考虑环境载荷和工作载荷。进行平台整 体强度评估所需的设计载荷中最主要是作用于平台结构上的波浪载荷。选择 合理的方法正确计算波浪载荷对平台强度评估具有重要意义。 确定作用在海洋结构物上的波浪载荷，可以采用两种不同的方法【2 2 1 。一 种称为设计波法，它是确定性方法，即用一给定周期和波高的波浪代表一定 环境条件下出现的最大波。设计波法没有同结构物的响应相联系，例如一个 波高与设计波的波高相同时，但其周期比设计波的周期更接近于结构的自振 周期的波，会使结构物产生比设计波时更大的响应，因此此种方法并不完全 符合不规则波浪实际海况，另一种方法是设计谱法。整体强度评估采用设计 波法简单、实用，被工程实践和规范推荐采用。 本章主要介绍采用设计波法进行整体强度评估时，设计规则波参数的确 定方法与波浪载荷的计算方法。 2 2 海洋工程中的海况 海洋工程中的海洋平台与陆地结构相比，它所处的海洋环境十分复杂和 恶劣，风、海浪、海流和潮汐时时作用于结构。各船级社协会关心的是在严 重海况下海洋平台能否保证安全，因此必然要审查海况的设计值是否正确。 至于严重海况的确定方法，是以最苛刻的条件规定其重现周期。 2 2 1 典型波浪工况 半潜式平台在波浪中的载荷与平台的装载工况、波浪的波高、周期和相 位、以及浪向角都有密切的关系，而且在平台的使用过程中，这些因素有多 种不同的组合状态。所以，进行平台强度校核时，需要对平台的多个受力状 态进行分析。半潜式平台的典型装载工况包括作业工况、生存工况和拖航工 况，需要分别进行受静水载荷和受最大波浪载荷条件下的总强度分析。根据 工程实践和规范的要求，半潜式平台的典型波浪工况通常包括：最大横向受 1 3 一 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 力状态、最大扭转状态、最大纵向剪切状态、最大垂向波浪弯矩状态浮筒上 的垂向波浪弯矩、甲板处纵向和横向加速度最大状态。 具体的说，最典型的特征响应量为： 1 ) 浮筒间的分离力b ：主要考察横撑结构强度，无横撑时考虑上浮体 结构与立柱连接区域结构强度。 2 ) 关于横轴的扭矩m ，：主要考察斜撑和垂直撑杆的结构强度。 3 ) 浮筒间的纵向剪切力e ：主要考察横撑的弯曲强度，立柱与下浮体 连接区域的强度。 4 ) 浮筒上的垂向波浪弯矩m 矿：主要考察下浮体的结构强度。 5 ) 甲板质量的纵向加速度口， 6 )