典型张力腿平台整体结构强度分析方法研究

摘要/Abstract

摘要：

重点针对一种典型张力腿平台(TLP)进行了整体结构强度分析研究, 以验证平台结构完整性设计的环境能够抵御恶劣海况的冲击.首先, 建立了一种典型张力腿平台的整体有限元模型, 平台主体结构按实际设计建立, 上甲板结构通过甲板及梁模型对应简化.通过对操作和极端条件下载荷分析, 得到平台危险波浪工况下载荷设计波参数.随后, 将波浪载荷映射到整体结构的有限元模型, 将张力腿上端位置建模简化为弹簧单元来反映包括旋转在内的6个自由度.最后, 通过结构有限元计算软件得到结构在各危险工况下的最大等效应力及应力分布趋势, 其中针对35个控制单元组, 得到对应每种单元组的波浪的浪向及相位.分析结果及张力腿平台整体结构强度分析方法可供其他海洋平台强度分析参考.

关键词: 张力腿平台, 整体结构强度评估, 极端工况, 有限元模型, 浪向

Abstract:

We focus on the global structure strength analysis of a typical tension leg platform (TLP). The objective of the TLP global structural analysis is to check the hull global structural integrity under design environmental conditions. Firstly, a global finite element model of the entire TLP is established, the hull structure is modeled in detail, whilst the deck structure is represented through a simplified deck beam model. A hydrodynamic analysis for operation and extreme conditions is conducted to get the design wave parameters for critical wave loads. After that, wave loads are mapped to the global structure finite element model, and the tendons are modeled as spring element which represents 6 degrees of freedom and rotations. Finally, the maximum stress and its distribution trends, together with the control elements, are obtained by finite element analysis according to critical wave heading, wave periods, wave heights and wave positions. Results and the TLP analysis method proposed can be used as reference for strength analysis of other offshore platforms.

Key words: tension leg platform, global structural strength analysis, extreme conditions, finite element model, wave heading

中图分类号:

TE951

李阳, 时忠民, 谢彬, 谢文会. 典型张力腿平台整体结构强度分析方法研究[J]. 海洋工程装备与技术, 2014, 1(1): 3-13.

Yang LI, Zhong-min SHI, Bin XIE, Wen-hui XIE. Global Structural Strength Analysis Methodology of a Typical TLP[J]. Ocean Engineering Equipment and Technology, 2014, 1(1): 3-13.

图/表 24

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参考文献 3

[1]	American Petroleum Institute.API RP 2T. Recommended practice for lanning, designing and constructing tension leg platforms[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2010.
[2]	American Petroleum Institute.API RP 2FPS. Planning, designing, and constructing floating production system[S]. Washington: American Petroleum Institute, 2010.
[3]	American Bureau of Shipping. Guide for building and classing floating production, storage, and offloading systems[M]. Houston: American Bureau of Shipping, 1996.

结构划分	分组	基础质量 /t	裕度 /t	相对裕度 /%	设计质量 /t	X_CG/m	Y_CG/m	Z_CG/m
平台主结构	船体结构	14 958	1 496	10.0	16 454	0	0	20.66
	轮机系统	500	50	10.0	550	0	0	35.00
	舾装	2 441	314	12.9	2 756	-0.95	-0.53	36.34
	储物舱	1 500	150	10.0	1 650	-24.32	2.88	52.45
上部模块	甲板结构	5 644	1 129	20.0	6 773	0.14	-0.32	66.88
	上部模块设备 (干重)	5 433	543	10.0	5 976	13.39	-3.24	70.14
	上部模块设备 (可变)	1 420	142	10.0	1 562	9.50	-0.13	70.51
	钻井系统(干重)	3 000	300	10.0	3 300	-10.59	4.66	80.75
	钻井系统(可变)	2 500	182	7.3	2 682	-7.90	3.48	94.12
垂向载荷	张力腿垂向载荷	19 269	0	0	19 269	0	0	1.50
	TTR垂向载荷	2 181	327	15.0	2 508	2.34	-2.34	60.20
	SCR垂向载荷	1 702	232	13.6	1 934	-13.13	-1.49	6.90
压载水舱	Trim压载	660	0	0	660	34.18	3.78	0.93
压载水舱	预留压载	6 360	0	0	6 360	0.01	0.01	3.90
预留	公司预留	1 000	0	0	1 000	0	0	67.70
小计	平台主结构	19 399	2 010	10.4	21 410	-2.00	0.15	25.50
	上部模块	17 996	2 296	12.8	20 293	1.96	0.15	73.97
	垂向载荷	23 152	559	2.4	23 711	-0.82	-0.37	8.15
	压载水舱	7 020	0	0	7 020	3.22	0.36	3.62
	预留	1 000	0	0	1 000	0	0	67.70
总计	质量与载荷	68 567	4 865	7.1	73 432	0	0	31.77
总计	质量	45 415	4 306	9.5	49 722	0.39	0.18	43.04

结构划分	分组	基础质量 /t	余量 /t	余量系数 /%	设计质量 /t	X_CG/m	Y_CG/m	Z_CG/m
平台主结构	船体结构	14 958	1496	10.0	16 454	0	0	20.66
	轮机系统	500	50	10.0	550	0	0	35.00
	舾装	2 441	314	12.9	2 756	-0.95	-0.53	36.34
	储物舱	1 050	105	10.0	1 155	-24.32	2.88	52.45
上部模块	甲板结构	5 644	1 129	20.0	6 773	0.14	-0.32	66.88
	上部模块设备 (干重)	5 433	543	10.0	5 976	13.39	-3.24	70.14
	上部模块设备 (可变)	994	99	10.0	1 094	9.50	-0.13	70.49
	钻井系统(干重)	3 000	300	10.0	3 300	-10.59	4.66	80.75
	钻井系统(可变)	1 274	127	10.0	1 401	-10.59	4.66	80.75
垂向载荷	张力腿垂向载荷	19 269	0	0	19 269	0	0	1.50
	TTR垂向载荷	2 181	327	15.0	2 508	2.34	-2.34	60.20
	SCR垂向载荷	1 702	232	13.6	1 934	-13.13	-1.49	6.90
压载水舱	Trim压载	259	0	0	259	33.23	25.73	0.70
压载水舱	预留压载	9 005	0	0	9 005	0.01	0	4.47
预留	公司预留	1 000	0	0	1 000	0	0	67.70
小计	平台主结构	18 949	1 965	10.4	20 915	-1.47	0.09	24.86
	上部模块	16 344	2 199	13.5	18 543	2.24	0.01	71.66
	垂向载荷	23 152	559	2.4	23 711	-0.82	-0.37	8.15
	压载水舱	9 264	0	0	9 264	0.93	0.72	4.36
	预留	1 000	0	0	1 000	0	0	67.70
总计	质量与载荷	68 710	4 723	6.9	73 432	0	0	29.28
总计	质量	45 558	4 164	9.1	49 722	0.39	0.18	39.35

分组		计算重心位置				调整后有限元模型重心位置
分组		质量/t	X_CG/m	Y_CG/m	Z_CG/m	质量/t	X_CG/m	Y_CG/m	Z_CG/m
组1	主结构	20 915	-1.468	0.089	24.859
组2	上部模块公司预留	19 544	2.130	0.012	71.458	19 544	2.130	0.012	71.46
组3	压载舱	9 264	0.934	0.729	4.365
组4	垂向载荷	23 711	-0.824	-0.369	8.149
组1+组3		30 179	-0.730	0.286	18.568	30 178.9	-0.730	0.286	18.566
总质量(1+2+3)		49 723	0.394	0.178	39.357	49 722.9	0.394	0.178	39.356
总质量与载荷 (1+2+3+4)		73 434	0.001	0.001	29.280

分组		计算重心位置				调整后有限元模型重心位置
分组		质量/t	X_CG/m	Y_CG/m	Z_CG/m	质量/t	X_CG/m	Y_CG/m	Z_CG/m
组1	主结构	21 410	-1.997	0.154	25.497
组2	上部模块	21 293	1.863	0.140	73.680	21 293	1.863	0.140	73.681
组2	公司预留	21 293	1.863	0.140	73.680	21 293	1.863	0.140	73.681
组3	压载舱	7 020	3.223	0.364	3.621
组4	垂向载荷	23 711	-0.823	-0.369	8.149
组1+组3		28 430	-0.708	0.206	20.095	28 429.9	-0.708	0.206	20.091
总质量(1+2+3)		49 723	0.393	0.178	43.042	49 722.3	0.393	0.178	43.040
总质量与载荷 (1+2+3+4)		73 434	0	0.001	31.776

控制单元组	结构成分	控制单元组	结构成分
CG01	浮箱底内侧肘板	CG19	节点船底板(中心)
CG02	浮箱底外侧肘板	CG20	节点船底板(外环)
CG03	节点顶部水平内侧肘板	CG21	节点船顶板(外环)
CG04	节点顶部水平外侧肘板	CG22	节点外板(中圈)
CG05	节点顶部垂向内侧肘板	CG23	立柱底部舷侧外板(中部内侧)
CG06	节点顶部垂向外侧肘板	CG24	立柱底部舷侧外板(中部外侧)
CG07	浮箱底部板(外侧)	CG25	立柱上部舷侧外板(板厚过渡处)
CG08	浮箱底部板(中部)	CG26	立柱中部舷侧外板(中部内侧)
CG09	浮箱底部板(外侧贯穿水密舱壁)	CG27	立柱中部舷侧外板(中部外侧)
CG10	浮箱顶部板(外侧)	CG28	立柱上部舷侧外板(中部内侧)
CG11	浮箱顶部板(中部)	CG29	立柱上部舷侧外板(中部外侧)
CG12	浮箱顶部板(外侧贯穿水密舱壁)	CG30	立柱上部舷侧外板(板厚过渡处)
CG13	浮箱内侧板(上部)	CG31	立柱与Post连接处
CG14	浮箱内侧板(下部)	CG32	Post底部舷侧外板
CG15	浮箱内侧板(中部)	CG33	立柱内侧板(底部)
CG16	浮箱外侧板(上部)	CG34	立柱内侧板(中部)
CG17	浮箱外侧板(下部)	CG35	立柱内侧板(上部)
CG18	浮箱外侧板(中部)