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隨著海上石油開(kāi)發(fā)由淺海逐漸向深水海域的發(fā)展，石油鉆井平臺(tái)的作業(yè)水深也由淺入深。就深海石油開(kāi)發(fā)而言，深海半潛式鉆井平臺(tái)不僅是個(gè)主導(dǎo)品種，而且其技術(shù)水準(zhǔn)和建造的工藝技術(shù)水平可稱(chēng)之為高技術(shù)的代表。
半潛式鉆井平臺(tái)是目前世界上最先進(jìn)的第五代半潛式鉆井平臺(tái)，屬高技術(shù)、高附加值產(chǎn)品，大連新船重工有限責(zé)任公司在激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，承接了四座BINGO900型鉆井平臺(tái)，并完成了四座平臺(tái)一期工程的建造工作，對(duì)該半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造技術(shù)進(jìn)行了前期開(kāi)發(fā)。
為了開(kāi)展半潛式鉆井平臺(tái)產(chǎn)業(yè)化工程，本研究對(duì)該平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞有限元分析。首先，根據(jù)各大船級(jí)社規(guī)范中對(duì)海洋平臺(tái)在波浪下的載荷計(jì)算的規(guī)定，采用三維格林函數(shù)法，BINGO9000半潛式鉆井平臺(tái)在工作狀態(tài)下，不同浪向、不同波浪周期、不同波浪相位等條件組合下所受的波浪載荷進(jìn)行計(jì)算。其次，采用空間板梁組合單元建立了該半潛式鉆井平臺(tái)整體三維有限元模型。結(jié)合北海波浪長(zhǎng)期分布資料，計(jì)算了4個(gè)浪向、9個(gè)波浪平均周期共72種波浪載荷工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(在每個(gè)浪向和平均周期下，要計(jì)算最大應(yīng)力值和最小應(yīng)力值兩種情況)。為進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步二次應(yīng)力分析提供了局部模型的邊界條件。最后，建立了管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)局部有限元模型進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。在計(jì)算管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍時(shí)，本文采用了熱點(diǎn)應(yīng)力法，澎并根據(jù)DNV規(guī)范，S-N曲線，計(jì)算出各應(yīng)力范圍單獨(dú)作用時(shí)管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞破壞的最大循環(huán)次數(shù)。
在計(jì)算各應(yīng)力范圍可能出現(xiàn)的循環(huán)次數(shù)時(shí)，采用了譜分析方法，最后根據(jù)線性疲勞累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算出管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。本文通過(guò)對(duì)BINGO9000半潛式鉆井平臺(tái)整體有限元強(qiáng)度計(jì)算和局部管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析，對(duì)該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，以及在各種海況下，整體結(jié)構(gòu)和管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布、疲勞壽命等有了更為清楚的認(rèn)識(shí)，為國(guó)內(nèi)今后該類(lèi)半潛式鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造提供了寶貴的技術(shù)依據(jù)。
海洋結(jié)構(gòu)物常用的波浪力計(jì)算方法主要有Morison方程法，切片法和三維格林函數(shù)法(邊界元法)。Morison方程法是一種一維的經(jīng)驗(yàn)公式法。計(jì)算簡(jiǎn)單，精度能滿(mǎn)足一般工程需要，是常用的一種計(jì)算波浪力的方法。但是它的計(jì)算系數(shù)主要基于實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)形式需要仔細(xì)的分析和驗(yàn)證，否則結(jié)果不夠準(zhǔn)確。而且只能給出平臺(tái)各部分總的波浪力，不能給出平臺(tái)表面的波浪力分布，不適合本文中的平臺(tái)整體有限元模型。切片法計(jì)算能夠給出平臺(tái)表面的波浪力分布，但是計(jì)算精度較低，只適用于細(xì)長(zhǎng)體的計(jì)算，不適合半潛狀態(tài)的平臺(tái)的計(jì)算。三維格林函數(shù)法亦稱(chēng)邊界元法、奇點(diǎn)分布法或源匯分布法。它的算法復(fù)雜，計(jì)算速度，但是計(jì)算精度高，而且在應(yīng)用上相當(dāng)靈活，對(duì)邊界的適應(yīng)性很強(qiáng)，能給出平臺(tái)表面的波浪力分布。
隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)速度的不斷提高，這一方法得到了進(jìn)一步發(fā)展，開(kāi)始得到實(shí)際的應(yīng)用。基于線性化自由表面和物面條件，對(duì)于某一周期的波浪，可以通過(guò)在物體的表面上劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格上分布滿(mǎn)足自由表面條件的源、匯或偶極子，使用適當(dāng)?shù)母窳趾瘮?shù)及其導(dǎo)數(shù)，利用物面邊界條件求得源強(qiáng)或偶強(qiáng)的分布函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出這些奇點(diǎn)的總體在域內(nèi)任一點(diǎn)引起的速度勢(shì)。求得流場(chǎng)內(nèi)的速度分布和水動(dòng)壓力，進(jìn)而得到平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)和入射波浪力，代入運(yùn)動(dòng)平衡方程得到平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和所受的總外力。再將平臺(tái)所受外力積分得到波浪彎矩、剪力和扭矩。BINGp9000半潛式鉆井平臺(tái)工作水深較深，故波浪力計(jì)算時(shí)使用無(wú)限水深無(wú)航速脈動(dòng)源格林函數(shù)計(jì)算。
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