技术专利说明书半潜式平台总体强度快速设计方法

1、技术领域：本发明涉及海洋工程及船舶设计领域，具体的说是涉及一种半潜式平台结构的基础设计方法。背景技术：海洋蕴藏着丰富的资源，向海洋进军一直是各级政府以及企业家的梦想。但没有海洋工程装备，向海洋进军也只能一个梦想，不能变成现实。半潜式平台是一种综合性能指标比较优化的深水海洋工程装备，有良好的水动力性能，比较好的定位能力及稳性。现在动力定位系统理论上可以实现无限工作水深，由于采用了柱稳式，其波浪响应比较小，因此可作业的天窗期比较小。由于半潜式平台属浮式结构，在长度和宽度上的尺度近似，并且又分为甲板盒、立柱、浮筒和横撑等多种结构的组合，其在风、浪、流等环境载荷的组合作用下的复杂程度远远高于可看成船体

2、梁的船形浮式结构物和固定在海底的座底式平台。另外，它的机动性没有普通的船舶那么好，在恶劣海况来临时不易移走躲避，需要比较大的抗风暴能力。也没有像FPSO或FSO这种可抵抗恶劣风暴的船形结构的单点系泊结构的见标效应，因为它在各个方向的承受风的能力差别不像普通的船形结构物那么大。因此，保证半潜式平台结构具有足够的强度，并且具有一定设计冗余既是保证平台的稳定性和整体不失效的措施之一，也是保证平台安全性的有效方式之一。半潜式平台的总体强度计算是目前保证其总体强度的唯一可行的办法，也是半潜式平台入级所需的必要条件之一。在设计的初期阶段就要进行总体强度的评估，并且要考虑后期的装配、焊接和舾装件安装引起的开

3、孔等的影响。尤其是装配误差、焊接材料、焊接形式和开孔等是影响疲劳强度的非常关键的因素。对于关键部位，在设计要求中注明不允许开孔、全熔透焊接、焊缝的打磨修形和装配误差等技术要求也是设计工作非常重要的一部分。但是，从船厂经济性的考虑，这种特殊的要求无疑会大幅增加成本，这就对设计的准确性提出了比较高的要求。半潜式平台的结构设计规范只给出了满足局部强度的公式。如何满足总体强度还主要依据有限元的分析，如果不满足总体强度，需要更改后重新进行总体强度校核。如果有大面积不满足强度的要求，就会带来的设计周期太长的问题。例如，某总体强度不满足要求，修改图纸，修改模型，重新计算的时间超过2个周，如果有2次以上重复修

4、改，会使得设计周期无法满足整个设计周期的要求。如何在设计之初比较准确把握总体强度一直是一个难题，目前基本上依赖于设计者的经验。现代半潜式平台的设计流程如下：上面的流程还是在前期总体设计已经确定的前提条件。如果前期设计有修改，对于有限元的影响往往是巨大的。整个的设计周期需要大幅度的增加。因此，借助目前发达的计算机辅助设计技术对这些经验数据进行一个定量的分析，然后总结出一个比较准确的设计规律，使之能够一次通过总体强度计算就显得十分必要。专利内容：本发明把半潜平台的每一部分来看，都可以简化成梁。浮筒部分，自身可以看成一船体梁，在首尾立柱中间相当于有一个介于刚性固定和简支之间的约束。再细一点，实际上双

5、可以看成四个约束，即首尾立柱的尾部舱壁和首部舱壁。横撑部分，可以看成两端固支的梁。立柱部分，可以看成一个受压和受弯的梁，与deck box连接部分可以看成刚性固定的，而与横撑连接处也可以看成左右方向固支，其余方向自由的状态。而与浮筒连接处，可以认为是上下方向弹性连接，前后方向也是弹性连接，而左右方向自由。Deck box可以认为连接四个立柱的梁。重要的是分析和部分所承受的外部载荷。为了计算方便，可以先进行分析各部分载荷对总体强度的影响比例。把占比例较小的部分忽略。强度的评估包括总体强度和局部强度。局部强度相对的影响因素比较少，可以在设计初期先进行计算，但它也受总体强度的影响，在总体强度计算后需

6、要进行局部强度的修正。下面按区域简单论述一下半潜式平台的结构设计方法。1) 浮筒结构在正常的作业状态下，浮筒结构几乎完全浸没在水下，受波浪的影响不是太大，主要承受内部和外部的水压力。从总体强度上来看，浮筒的下部承受水的浮力Ff，上部承受水的压力Fp，在立柱与浮筒连接处承受上部结构自重带来的压力Ft，其自身的重量为Fg，而浮筒的外形一般情况下都对自身的中心线左右对称，也就是说两侧的水压力相互平衡。在静水状态下应该有Ff=Fp+Ft+Fg或Ff-Fp=Ft+Fg。在移船的状态下，由于浮筒的上表面完全露出水面，在静水状态应该Ff= Ft+Fg。如果把浮筒看成一根船体梁，把立柱的外板看成浮筒的简支点，

7、常规左右各有两立柱浮筒就成了中间具有4个简支点，下面承受均布载荷的梁。其简化的受力模型如图1所示。根据图1可以看出，弯矩最大的位置发生在浮筒的中部和立柱与浮筒连接的部分的内侧，因此，在浮筒的中部和与立柱连接处甲板和底板应适当加厚以抵抗弯矩。剪力最大发生在浮筒连接的内侧，因此，这一位置的浮筒的两侧外板厚度应适当加大。这与我们已经交付和在建的，和研发过程中的总共近二十座半潜式平台的最终的分析结果都是一致的。对于局部强度，船级社规范并没有按位置给出参考的计算依据。所有位置只有深舱和水密舱壁之分。2) 横撑结构对于横撑结构，规范和相关的书籍中没有可参考的公式。主要是参考母型船的尺寸进行设计。可以简化计

8、算的就是考虑其承受横浪时的最大分离力，和斜浪时的扭矩。利用最大分离力初步算出横撑上的拉应力，然后利用扭矩算出横撑上的剪应力，再进行合成，可以初步得到合成应力。但这种方法得到应力水平比最终的分析结果要低得多。所以还是主要参考母型船为主。3) 立柱结构立柱结构作为上部模块的支撑，在强度上主要起到一个尺寸比较大的支柱的作用。但是，它的水平载面的尺寸与高度相比是一个比较大值，不属于细长杆件，所以总体上并不存在失稳的现像。还是以考虑局部强度为主。参考已经中集来福士的多个项目的总体强度分析结果也证明，立柱上的总体应力水平比较低。4) 甲板盒结构对于甲板盒的甲板，主要考虑局部的甲板载荷进行设计。而对于舱壁结

9、构，除了连接立柱的作为box girder的结构要考虑自重及垂向加速度对其产生的剪切应力外，与井架连接的结构传递的支反力也要考虑进去。而其余分舱的小段舱壁，则只要考虑局部强度即可。下面就ABS和DNV规范论述一下它们的局部强度设计公式。在ABS MODU的规范中，深舱和水密舱壁的计算公式形式上一样，只是参数的取值不太一样。ABS的深舱板厚计算公式为 mm，对于水密舱壁，把其中的254换290，2.5换成1.5即可。式中s为型材间距，单位mm，可以由设计者指定，k为系数，通常为1；q为材料系数，为普通钢的屈服强度(235MPa)与所用材料屈服强度比值，目前通常采用屈服强度为355MPa的高强度钢

10、，因此q=0.66；h为设计压头，单位为m，为计算的列板的下沿到所在舱室顶部的距离加上舱室顶部到透气口距离的2/3。ABS的扶强材计算公式为 cm3。式中SM为扶强材含带板的剖面模数；c为系数，对两端为强梁支的情况，深舱取1，水密舱壁为0.56；s为型材间距，单位m，由设计者指定；h为设计压头，从扶强材跨距的中点计算，对深舱取到舱室顶部的距离加上从舱室顶部到透气口距离的2/3，对水密舱壁则取到干舷甲板；l为扶强材的跨矩，单位m；Q为材料系数，对常用的高强钢TH36为0.72。强梁的计算公式为 cm3 。式中SM为强梁(通常为T型材)含带板的剖面模数；c为系数，对深舱取1.5，对水密舱壁则取1.

11、0；其余参数的意义与扶强材类似。DNV的局部强度计算分为WSD法和LFRD法，深舱和水密舱壁也是一样的，只是系数取值不同。其中WSD法与ABS的方法类似。其板材计算公式为：mm(1-1)式中：为形状系数，常规的设计为1；s为型材的支撑宽度，单位为m，由设计者指定；p为设计压力，单位，对最大吃水线以上的舱壁，主要考虑其作为支撑，采用直接计算的方法，对水线以上的水密甲板，考虑甲板载荷，对深舱和最大吃水线以下由下式计算：(1-2)其为为液舱内的液体密度，取不小海水的密度；为重力加速度为，取；为平台的垂向加速度为，单位，可以从设计波分析报告中查到，在该分析报告之前可以取0.3倍的重力加速度；为可能灌注

12、到的最大液位高度，单位m，带高位和高高位报警的舱室可以取到舱室的顶部，对于最大设计吃水以下直接与外界相邻的构件，其值不小于到最大吃水的距离。为边界条件系数，对于常规的双面连续焊接，可认为是固支，取值为1；为许用弯屈应力，单位，取下面的两式中的小值(1-3)(1-4)式中为总体强度分析中的合成应力，如果取用该值或参考母型船中该值，就和LRFD方法完全一样。如果没有母型船或为了初步的计算结果，可以直接取式1-4中的值；为载荷系数，对于不考虑总体强度分析结果，只考虑液体压力这种功能性载荷时，取0.6，如果按LRFD方法，考虑取功能载荷、最大环境载荷以及倾斜、撞击等偶然因素后，取1，如果只考考虑功能性

13、载荷和最大环境载荷，不考虑偶然因素载荷，则取0.8；为所用材料的屈服强度，单位，对于通常采用的TH36的高强度钢，。其扶强材计算公式为：(1-5)式中l为扶强材的跨距，单位m，由设计者指定；s和p的意义与前面板材的定义相同；为端部连接条件系数，对于常规焊接在强梁上的，可认为是两端固支，取值为12；为边界条件系数，对于常规的双面连续焊接，可认为是固支，取值为1；为许用弯屈应力，单位，根据工况取值。WSD方法规定，在只考虑功能性载荷的工况下，对于考虑了最大环境载荷和功能性载荷的情况下，；而LRFD方法规定，。看上去WSD方法比LRFD方法保守，而本质上是一样的。因为的取值是不一样的，如只考虑了功能

14、性载荷的情况，取ULS下的总体强度合成应力；考虑最大环境载荷和功能载荷的情况，取ULS和SLS的总体强度合成应力；而按LRFD方法，则需要考虑ULS、SLS、FLS和ALS下的总体强度合成应力；这与前面的载荷系数是完全一致的。值得注意的是，由于扶强材通常采用球扁钢，所以其中性轴离球头一边的距离比离带板一侧的距离大得多。如果采用带板上的合成应力，则计算扶强材的剖面模数要采用中性轴离带板侧的距离；而通常情况下，我们计算扶强材的剖面模数采用的是中性轴离球头方的距离，因此采用的是与扶强材轴向一致的方向应力或。其强梁因为通常和T型材的结构，所以除了考虑弯曲应力，还要考虑剪切应，其弯曲强度计算公式为9：(

15、1-6)式中为强梁的跨距，单位m，根据两端更强的支撑如舱壁或支柱的位置确定；b为支撑宽度，单位m，由设计者指定；p为设计压力，与前面板材公式1-1中定义相似，不同的是它是从梁的跨距的中间计量；和的定义与前面扶强材的公式1-5中定义相同。所不同的是，总体的合应力对带板一侧和面板一侧都要进行考虑。因为在带板一侧的总体合成应力比较大，但离中性轴近，其剖面模数比较大。而面板一侧的剖面模数小，总体的合成应力小。所以两者要分别计算后才能确定强度是否满足。强梁的受剪面积公式。(1-7)式中为型材受剪面积，通常为T型材的腹板面积，扣除所有开孔的面积；为端部连接系数，常规的两端连接到舱壁或支柱上的T型材跨距的两

16、端取0.5，中间取0，其余位置线性插值；为考虑的位置到最近的支撑端的扶强材的个数，不大于，式中为支撑跨距内扶强材的总数；、b和p与式1-6的定义完全相同；为从考虑的位置到最近的支撑端的扶强材上点载荷的平均值，单位kN。为许用剪应力，单位，对于只考虑功能性载荷的情况取，考虑功能性载荷和最大环境载荷时，考虑功能性载荷、最大环境载荷和偶然因素载荷时，这在WSD方法和LRFD方法都是一样的。本发明通过比较DNV LRFD设计评估方法跟ABS的WSD设计评估方法，总结近二十座半潜式平台的设计数据，提出了一种总的结构设计周期最短的、具有比较强的操作性的设计方法。本发明为半潜式平台总体强度评估过程中存在的一

17、些规范或文献未作明确说明的关键环节提供合理、可行的方案。通过整理分析公司建造过的多座实例平台的设计波、应力计算结果和原强度评估结果，按本发明的计算方法，有效提高了工作效率，降低了设计周期。通过与多座半潜式平台的最终分析对比，证明本方法是可靠的，是符合经典力学的客观规律的。并且这种方法是易于被结构工程师掌握并可以在工作实践中不断完善的。实施例：本文以中集来福士自主研发的半潜式起重生活平台的为例，按部位局部强度和总体强度的设计。如图2所示，本平台为非对称的半潜式平台，主船体结构分为主浮筒、辅助浮筒、四个鼓形水平模撑，左右各两个立柱，一个甲板盒。下面按拖航、自存、起重和居住工况分别进行计算。限于篇幅

18、，下面的说明中只包括浮筒的计算。本文以中集来福士自主研发的半潜式起重生活平台的为例，按部位局部强度和总体强度的设计。本平台为非对称的半潜式平台，主船体结构分为主浮筒、辅助浮筒、四个鼓形水平模撑，左右各两个立柱，一个甲板盒。下面按移船、自存、起重和居住工况分别进行计算。移船工况，平台的空船重量21493吨，排水量39184吨。由于首部和尾部的形状原因，把浮筒分成尾部、中部和首部三部分。其自重、压载水量、浮力和浮力与重力差如下面表2-1所示。表2-1 浮筒各部分重量（只列部分）描述重量(MT)长度范围(m)主浮筒艉部自重856025主浮筒中部自重371925105主浮筒艏部自重864105130辅

19、助浮筒艉部自重3550辅助浮筒中部自重314691.5辅助浮筒艏部自重355103由于艉部和艏部还有一部分平直部分，所以艏部和艉部再分为艏艉、艏艏、艉艉和艉艏。其浮力与重力差值按线载荷计算后，按线性分布如下面表2-2所示。表2-2 浮筒线性载荷分布（只列部分）描述载荷线性分布(kN/m)长度范围(m)起止主浮筒尾部重力差值尾尾5531298主浮筒尾部重力差值尾首1298129822.525主浮筒中部重力差值1415141525105把四个立柱的前后舱壁分别作为浮筒的船体梁的简支点，则浮筒的船体梁在移船工况下的简化力学模型如图3和图4所示。对于浮筒的典型剖面，如下面的图5所示，其中主浮筒和辅助浮

20、筒的结构形式一样，只是宽度不一样。设计时按部位分为甲板、底板、舷侧外板和内部舱壁，按结构形式分为板材、扶强材和强横梁。参考ABS深舱的规范，计算板厚、扶强材和强梁的规格。计算结果如表2-3、2-4和2-5所示。表2-3 浮筒各位置的板材计算结果描述ht需求实取甲板板14底板板16舷侧外板板14纵向舱壁板14注：对于上表中所有位置s=625mm，k=1，q=0.66。表2-4 浮筒各位置的扶强材计算结果描述hSM需求取型材包括带板剖面模数甲板扶强材413HP260*10426底板扶强材646HP300*11675舷侧外板扶强材(5米及以下)605HP300*11666舷侧外板扶强材(5.6米以上

21、)523HP280*11532纵向舱壁扶强材(5米及以下)605HP300*11631纵向舱壁扶强材(5.6米以上)523HP280*11532注：对于上表中所有位置s=0.625m，c=1，l=2.5m, Q=0.72。表2-5 浮筒各位置的强梁计算结果描述hlSM需求取型材包括带板剖面模数主浮筒甲板强梁13203T1300*14+240*2513591辅助浮筒甲板强梁5789T1000*14+300*209308主浮筒底板强梁20632T1300*16+380*3020776辅助浮筒底板强梁9046T1300*14+280*2514356舷侧外板垂向强横梁16813T1300*14+360

22、*2517080纵向主舱壁垂向强横梁16813T1300*14+360*2517080纵向通道舱壁垂向强横梁8059T1000*14+240*259118注：对于上表中所有位置s=2.5m，c=1.5，Q=0.72。根据以上结果建立浮筒的横截面的图纸，并且在AutoCAD中可以直接求出它的惯性矩，截面积，形心等数据。可以根据这些数据算出它的剖面模数。并根据梁理论算出它在甲板上的拉应力和舱壁上的剪应力。主浮筒和小浮筒的横截面图如图6和图7所示。根据上面的数据，可分别求出主浮筒和辅助浮筒的横剖面的剖面模数分别为和。根据前面的图3和4的弯矩剪力分布图。可以求出移船工况下主浮筒和辅助浮筒的总体应力主浮

23、筒的最大轴向应力55MPa。考虑中间的三道舱壁来承受剪应力，可以算得最大剪应力为。根据前面图4，可以算得辅助浮筒承受的最大轴向拉应力为。辅助浮筒的受剪面积与主浮筒相同，可以算出其最大剪应力为58.3MPa。在自存、居住和重吊工况下，由于浮力与重力、压载的差值比移船工况下小，所以在不考虑环境载荷的情况下。对浮筒而言，在移船工况下的总体应力水平最高。根据DNV WSD或LRFD进行初步板材的校核。根据式1-1，。垂向加速度取经验值。根据式1-3和1-4， ，和因位置不同而不同。甲板和舱壁的计算结果如下面表2-6所示。表2-6 浮筒的板厚计算描述pt需求实取甲板板5514底板板21316主浮筒舷侧外

24、板下部133104.0 1814辅助浮筒舷侧外板下部109135.2 14主浮筒舷侧外板上部136100.1 201614辅助浮筒舷侧外板上部111132.6 2014舱壁板133104.0 14从上表可以看出，主浮筒和辅助浮筒的舷侧外板在考虑总体强度后的剩余强度时其厚度是不满足规范要求的。因此，在与立柱连接的区域进行局部的舱壁板厚的加厚。考虑到与立柱连接的上部为特殊区域，存在疲劳的问题，因此这一部分取的板厚最大，为30mm，往下依次减小。根据上述计算结果可以绘制出主浮筒和辅助浮筒的图纸。主浮筒和辅助浮筒与立柱连接受剪面积和剪应力需要修正。修正后的板厚值如下面的表2-7所示。表2-7 浮筒的修

25、正后板厚计算描述pt需求实取甲板板5514底板板21316主浮筒舷侧外板下部95153.4 18辅助浮筒舷侧外板下部162.2 14主浮筒舷侧外板上部148.6 2030辅助浮筒舷侧外板上部158.7 2030舱壁板95153.4 14从上面的数据来看，这种情况下完全满足规范的要求。根据DNV WSD或LRFD进行初步扶强材的校核。结果如下表2-8所示。表2-8 浮筒扶强材校核（部分）描述p剖面模数需求型材附带板剖面模数甲板扶强材55158425HP260*10426底板扶强材165681HP300*11676舷侧外板扶强材(5.6米以上)55158560HP280*11562纵向舱壁扶强材(

26、5.6米以上)551585135HP280*11532从上表可以看出，对于底板的扶强材，强度是略显不足的。而舷侧外板利用率也是接近1。但这并不代表它不满足规范的要求。可以分析前面利用的总体合成应力，而实际上在对浮筒与立柱连接处进行外板加厚的同时，甲板相应的部分位置也是进行了局部加厚的。所以可以进行修正，修正后的结果是可以满足要求的。根据DNV WSD或LRFD进行初步强梁弯曲强度的校核。浮筒强梁计算结果如下面表2-9所示。表2-9浮筒强梁的弯曲强度面板侧校核描述p SgZg取型材面板侧Z主浮筒甲板强梁11060T1300*14+240*2513591辅助浮筒甲板强梁4849T1000*14