张春萍1 陈永2
天津天蓝海洋工程有限公司，天津市 300450
摘要：海洋平台是海洋资源开发的基础设施，也是海上工程运营的重要基础。海洋平台的结构复杂且昂贵。为了基于安全性能且降低制造成本，海洋平台和平台的可靠性必须经过优化设计。勘探和利用海上石油需要使用大型海上石油平台。在海上平台的设计和制造过程中，极限强度分析是一个重要的课题，必须采用准确的分析方法和手段才能获得准确的分析结果。本文以一个平台为例，使用大型有限元分析软件建立模型，在规范要求的环境组合下进行极限强度分析，并获得可指导平台设计和制造的计算结果。
关键词：海洋平台；极限强度；设备的可靠性
1海上平台的基本情况
海上平台是开发各种海洋资源（如天然气和石油）时非常常用的移动平台，其用途广泛，主要由三部分组成：举升系统，支腿和主体。可以在该范围内自由升降，在实际工作中，桩桥将延伸到海底并站立在海底上。并且，根据不同工作的数量，腿的上部可以支撑平台的主体并达到预定的工作高度。拖曳时桩腿可以折叠，但是当大海沉重时不能拖曳。自升式海上平台的工作深度为12到550英尺，其中大多数为250到300英尺。这种自升式平台主要有两种：沉没型和独立型。桥梁的结构主要包括桁架式和圆柱式。这种平台具有极好的稳定性和较强的定位能力。适用于深海。可以适应恶劣的工作环境，并在大陆架海域海洋资源的开发中发挥重要作用。本文主要讨论了自升式平台结构优化设计的研究与开发。
2环境负荷
海上石油平台承受的外部环境负荷主要包括风，浪，洋流，冰，地震和海啸。在本文中，主要考虑三个主要的环境负荷：风，浪和洋流。
2.1风荷载
在设计海上结构时，必须考虑风荷载对稳定性，定位系统和局部结构强度的影响。当前，工程界对脉动风的描述通常包括稳定和可变的部分。 NPD光谱和API光谱在海洋工业中经常使用。
2.2洋流负荷
洋流存在于海平面以上一定深度处，因此会在水下和海底组件上施加力，同时会影响平台位置的选择和船舶停靠。
洋流和风浪是两种类型的洋流，前者是由天体运动形成的潮汐力引起的，后者是由天气和水文学等因素引起的。剩余电流的主要成分是风和洋流。
对于海上平台上的风和洋流负载，通常通过风试获得负载的大小。
2.3波浪载荷
波浪作用对海洋结构的影响如下。（1）阻力，即流体不是理想流体时的粘性效应；（2）由附加质量效应引起的惯性力；（3）由于结构对入射波的阻挡而产生的散射效应；（4）自由表面效应。
结构界面的特征尺寸和波长是影响波浪载荷对结构影响的重要因素。当两者之比小于或等于0.2时，主要考虑附加质量效应和粘性效应，而当两者之比大于0.2时，衍射效应，附加质量效应和粘性。计算原理也不同，在前一种情况下，使用莫里森方程来计算波浪力，在后一种情况下，使用三维势流理论。
根据各自船级社的工作经验和规定，平台波的六个作用力是主要关注点。它们如下：浮桥之间的分力:FS；浮桥之间的纵向剪切力:FL；绕横向水平轴的扭转力矩:Mt；甲板质量的纵向加速度:aL；甲板质量的横向加速度:aT；甲板质量的垂直加速度:aV。
大量的钻井和起重设备以及平台甲板的可变载荷集中在甲板箱中，并且甲板的质量加速度成为甲板箱和立柱以及立柱和立柱之间的剪切力。因此，甲板箱中质量的惯性力是测试平台的整体结构强度和局部强度的重要负载之一。
3?算例模型
3.1平台模型
在本文中，使用有限元分析软件进行建模，并在模型中使用板单元和梁单元来模拟平台的主要结构。隔室和设备单元用于模拟平台上的压载水，并且平台的某些质量和平台的水平是通过设备单元实现的。
通过分析平台的水动力，本例中平台的三维结构模型的布局的主要尺寸参数为：浮船的长度为90m，浮船的宽度为15.2m，浮船的高度为7.6m，双浮船的外板间距为71m，主甲板的高度为36.5m，甲板箱的高度为30.5m，大柱子的直径为10.6m，小柱子的直径为9.7m，工作吃水深度19.81m，自备吃水深度15.24m，牵引吃水深度9m。有限元模型包括人脸模型和莫里森模型，通过衍射理论求解人脸模型，通过莫里森方程求解莫里森模型。为了通过正确使用Morison模型校正平台的粘性阻尼，而又不影响模型的整体位移，因为面板模型和Morison模型在浮桥和交叉支撑部件中重叠，因此将Morison模型减少了100倍，并且阻力系数相应地增大。
3.2环境模型
自存储条件（极限状态，ULS）是指平台可以承受的最大环境负荷。自存条件的环境组合必须至少每100年一次。根据Det Norske Veritas DNV-OS-C101的规定，自存储工作条件包括多种环境条件的组合，例如：
DNVGL-OS-C103色谱柱稳定单元的结构设计-根据LRFD方法的规定，在载荷系数下平台的极限强度分析（极限极限状态，ULS）是两个工作条件ULS-a的组合和ULS。您需要执行ULS-b。 ULS-a专注于平台上的静态负载，而ULS-b专注于平台上的环境负载。
检查结构的屈服强度时，在ULS条件下，该结构的材料模量被认为是1.15。对于屈曲强度测试，与螺栓连接的材料因数和焊接的材料因数是在ULS操作条件下进行的。请参考相关规格。
在模拟和分析平台的运动响应时，还必须考虑半潜式平台与系泊系统之间的耦合效应，这是工程界公认的惯例。
4基于可靠性的海上平台优化设计
由于海上平台的实际设计具有许多不确定因素，例如分析方法，装载环境和结构的具体结构，因此有必要在实际设计中充分考虑这一部分。当前，海上平台结构的可靠性分析很多，但是实际的优化设计存在一定的困难和缺陷，如解决系统可靠性，寻找失效模式，确定失效成本等。
在实际设计工作中，平台结构的稳定性是非常重要的因素，也是反映平台整体安全水平的关键指标。当真正确定平台结构的可靠性时，应该搜索故障模式以寻找结构，这可以说是非常重要的。以护套平台结构系统为例，只有在护套，桩基和上夹板保持正常工作状态的情况下，平台才能验证平台在钻井和生产作业中的正常运行。例如，当桩基础和护套的主要部件失效时，桩基础和护套会断裂，从而影响整个平台的可靠运行。在这方面，在实际设计中，可以将海上平台桩和导管桥的破坏确定为主要破坏模式，而将相邻层结构的层间变形也确定为主要破坏模式。当前，研究人员使用损伤力学的非线性损伤模型，并在此基础上获得了与屈服可靠性和疲劳可靠性相关的设计。
近年来，可靠性技术和先进的分析结构技术的不断发展对海上平台的具体设计产生了较大的影响，主要有多个级别的单元级别，系统可靠性级别和系统级别，全寿命设计和规范验证。其中，系统和单元级别对特定平台设计有非常重要的影响，但是系统可靠性在整体寿命设计和规格验证中具有一定的应用限制。在具体单元优化方面，随着当前硬件夹具和计算方法的不断改进，基于极限强度和线性应力分析，非线性和线性有限元方法被用于实际的结构设计中。基于有效降低单位制造成本和总体重量的平台成本。在系统优化方面，通过可靠性技术和先进的结构分析技术的应用，可以在极端平台和突发事件的结构设计中发挥重要作用。
5 结语
通过对海上平台的极限强度建模和分析，计算结果表明浮桥结构的等效应力在允许应力范围内，平台的整体结构强度可以满足要求。可以详细分析规范结构的难点，但不包括本地难点。本文的研究内容和结果对半潜式平台的结构设计具有重要的参考价值，可为海洋工程项目提供良好的指导。
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