自升式近海移动平台力学设计

1. 自升式近海移动平台力学设计 材02班 尹熙 002159 材02班 蒋磊 002166 材03班 杨磊 002184 材03班 陈宇 002185 指导老师： 施惠基

2. 选题讨论时的面红耳赤 • 卷帙浩繁中的查找搜寻 • 确定模型的统筹帷幄 • 分析计算的反复斟酌 • 分工合作中的争执不下和心照不宣 • ——三个星期以来倾注心血的每个瞬间。。 仅此纪念

3. 说明：此PPT仅列入整个论文的简略摘要，详细全文参见WORD文档说明：此PPT仅列入整个论文的简略摘要，详细全文参见WORD文档

4. [前言] 在以能源、信息、材料为主导的新世纪，近海大陆架以其骄人的石油蕴藏量引起的世界各国的高度关注。开发海洋石油需要在海上安装和使用大量的离岸工程结构物，包括各种工程船舶、海底管道和最重要的移动式平台。海上移动式平台的设计和制造始于上个世纪 50年代，经过几十年的发展形成了四种主要的类型：坐底式、钻井船、半潜式和自升式。其中自升式因其所需钢才少，造价底、作业稳定、效率高等多条优点占据了占移动式平台使用数量总量的60%，但自升式移动平台重心高、稳性差、耐风浪能力不强，容易发生事故。

5. 1976年4月15日美国伯利恒公司设计的沉垫支撑自升式“OCEAN EXPRESS”号的翻沉事故造成13人死亡；1979年我过的“渤海二号”自升式平台翻沉，平台上74人仅两人幸存。事故的原因主要在于甲板重量的分配、拖索拖力的影响和干舷高度的设计等。 因此，我们把目光投向了自升式移动平台的科学的力学设计。

6. [自升式移动平台的总体设计图]

7. 设计思想 • 该自升式移动平台由一个平台主体和四根下带沉垫的桁架桩腿组成。通过升降装置的动作，平台主题或桩腿可以垂直升降。平台拖航到达井位后，先放下桩腿下降至海底，通过锚泊定位固体平台所在水域。进一步提升主体，使之沿桩腿上升到离开海面一定的高度，以避开波浪对平台主体底部的冲击。钻完井离开井位的时候，先将主体下降到水面，利用水的浮力对主体的支持把桩腿连同锚泊从海底拔出，升起，然后移航到新的井位或者归岸。

8. [平台主体] 为了让平台在各种状态下稳定的工作，平台上的各种设备的安装应该保证平台的稳定性，平台表面上的设备对底座施加的各种应力在表面上应该分布尽量均匀，避免出现应力集中。 为了分析简单，抓住重点，将平台的表面形状简化成长方形，根据一些计算得出一些设计原则。

9. 首先假设存在一个长宽分别为a,b的平台，其中心为坐标原点，其上作用一个集中力（将一个负荷简化成一个集中力），横截面面积为A，弯曲截面系数分别为Wy,Wz。首先假设存在一个长宽分别为a,b的平台，其中心为坐标原点，其上作用一个集中力（将一个负荷简化成一个集中力），横截面面积为A，弯曲截面系数分别为Wy,Wz。 集中力大小为Fx，产生的力矩为My和Mz。 A: δx(A) = -(Fx/A+My/Wy+Mz/Wz) B: δx(B) = -Fx/A+My/Wy-Mz/Wz C: δx(A) = -Fx/A-My/Wy+Mz/Wz D: δx(A) = -Fx/A+My/Wy+Mz/Wz

10. 获得应力分布图

11. 在单应力情况下，必然会引起引力的分布不均匀，在多个载荷的情况下，我们可以通过合理的分布载荷来达到应力均匀的目的。根据应力叠加的原理，我们在和该集中力作用点对称的地方也放置同样一个载荷Fx2，使其产生的应力在ABCD四点和Fx产生的载荷抵消，在整个平面上，其应力面也会大部分相互抵消，从而实现较为均匀的应力分布。在单应力情况下，必然会引起引力的分布不均匀，在多个载荷的情况下，我们可以通过合理的分布载荷来达到应力均匀的目的。根据应力叠加的原理，我们在和该集中力作用点对称的地方也放置同样一个载荷Fx2，使其产生的应力在ABCD四点和Fx产生的载荷抵消，在整个平面上，其应力面也会大部分相互抵消，从而实现较为均匀的应力分布。

12. 在理想的情况下，如果能够实现完全对称的载荷分布，平面上弯距产生的拉压应变会完全抵消,从而实现理想的应力分布。在理想的情况下，如果能够实现完全对称的载荷分布，平面上弯距产生的拉压应变会完全抵消,从而实现理想的应力分布。

13. 在平台的实际设计中，平台上的载荷有

14. 这样多的载荷，要做到合理的分布，必须有一个优秀的统筹方案，从系统上考虑应力的均匀分布，使最后的载荷分布后能够实现一个优化组合。鉴于现在的数学工具和问题的复杂性，在这里无法给出一个详细具体的统筹方案，只能根据理论计算和一些假设提出一些原则性的设计准则。这样多的载荷，要做到合理的分布，必须有一个优秀的统筹方案，从系统上考虑应力的均匀分布，使最后的载荷分布后能够实现一个优化组合。鉴于现在的数学工具和问题的复杂性，在这里无法给出一个详细具体的统筹方案，只能根据理论计算和一些假设提出一些原则性的设计准则。

15. [桩腿稳定性] • 桩脚采用沉箱型比较合适，截面为圆，具体尺寸P350页做了简略，fig7-6,p363，表7.1“渤海五号”

16. 由桩脚承载（没根桩脚2100t=2.058×107）求台上质量 总载荷60571（+1000）t=5.936×107N(6.916×107N)

17. 有钻井载荷 钻井工况 W1=5337t=5.230×107N 升降工况 W2=4347t=4.260×107N

18. 横向阻力的计算 波浪力 风速70节 Vw=Kv=0.03×35=1.05m/s a=0,CD=0.5,CM=2 FP=9.674 ×104N 风力： 沿x方向 Ax=34.0×5.5=187m2 沿y方向， Ay=57.6×5.5=316.8m2

19. 由估算平台重量对桩脚做强度校核,得到壳式桩脚壳厚 : • 受力图如前，其中M为主体作用于该桩脚的力矩，取 • M=W1·15· 21/2 2.774×108N·m • 受力图如前，FP为波浪力，Wfoot(x)=(500×103×9.8/78)x • 单根桩脚重500t，忽略浮力，则轴向力： • σNX =-( Wfoot +W1/πD2(1-a)2)=-(8.887x+1850) ×103/(1-a2) Pa • F1=4.04×106 N , Fy=3.94×106 N • 则σmax = -（1.85/(1-a2)+104.5/(1-a4)）Mpa • 则（σ2+3τ2 ）1/2 ＜σs/ns ，如ns=2 则（1.85/(1-a2)+104.5/(1-a4)）≤470/2=235 • a=0.858 故a≤0.858 内径d≤2.574m，桩脚壳层厚≥0.213m

20. 整体稳定性分析

21. 弹性屈曲模型 相应的许用屈曲应力 ① [σcr]= σcr /ns=33.26Mpa ② [σcr]= σcr /ns=532.2Mpa ③[σcr]= σcr /ns=133.1Mpa ④[σcr]= σcr /ns=271.5Mpa 认为桩脚与平台简化的钢架刚性连接，下端铰接则由欧拉公式 临界屈曲应力 ① σcr =47.9Mpa ② σcr =766.4Mpa ③ σcr =191.6Mpa ④ σcr =391.0Mpa

22. 实际情况分析 • 4种情况存在的条件依靠海底的地质情况和自升降式桩脚与平台的固接情况决定的。例如在较硬的海底插拔，则124的屈曲可能发生，而在软土地区时，会发生3的屈曲，设计时根据不同情况选择许用应力，早期的平台翻沉事故则可能以1的屈曲理论形式发生

23. 非弹性屈曲计算 若桩脚弯曲时超出弹性范围，则欧拉公式不再适用，这一般发生于长细比为(kl/r)＜(2π2EI/σs)1/2 时，则屈曲应力的计算： σcr =σs –(σs2/4π2E) ×(kl/r)2 k为有效长度系数，如取下端绞接上端侧移的2情况，k=2.0，有取σs =470Mpa(18MnMoNb结构解) σcr =181.8Mpa 此时安全系数ns=1.25+0.133(kl/r) ×(σs /π2E)1/2=1.46 许用屈曲应力 [σcr]= σcr /ns =123.7Mpa

24. 实际验证 弹性范围内2情况[Fpcr]=5.418×109 N 则总载荷W1＜[Fpcr] ×4，安全的 非弹性范围内2情况 [Fpcr]= 1.258×109 N 总载荷W1＜[Fpcr] ×4，安全的

25. [锚泊定位系统] • 锚泊线的选择和分布 • 锚泊线静力分析 • 锚泊线的动力分析

26. 锚泊线的选择和分布 • 垂线锚泊系统主要是考锚来保证锚泊线下端在海底的定位，一般应使锚泊线下端的拉力保持水平以使锚的定位能力得到充分发挥。这对一定水深h和一定外力Q来说，必须使锚泊线的长度l和单位长度重量满足以下关系式：

27. 由于平台所受的风浪袭击可能来自任何方向，因此，要求平台具有全方位的抗偏移能力。为此，设计锚泊线沿四周对称分布，可能受风较大的一面（角上）较密，受风较小的一面较稀。设计图如下：

28. 锚泊线静力分析 锚泊线有单成分、二成分和多成分之分。 此处计算采用单成分线模型， 即单位长度均匀的全链或全索

29. 1．无弹性悬垂线方程 取线上一段微元做受力分析如下：

30. 其中w是缆索位长度重量， dl是缆索元长度， T为缆索元下端张力， dT为张力在dl上的增量， θ为T的方向，dθ为θ在dl上的增量。 沿水平与垂直方向建立平衡方程， 有：

31. （T+dT）cos(θ+dθ)-Tcosθ=0 （1） （T+dT）sin(θ+dθ)-Tsinθ-wdl=0 （2） 将上面两式合并，并考虑到当dθ为极小值时， cosdθ≈1,sindθ≈dθ,并忽略二阶微量， 于是可以化简为： Tsinθdθ-cos dT=0 （3） Tcosθdθ+sinθdT- wdl=0 （4）

32. 解该联立方程组，得： Tdθ= w cosθdl （5） dT= w sinθdl （6） 又： dx= cosθdl （7） dy= sinθdl （8） (9) 根据以上8式，在整个锚泊线ab上积分， 并注意到相关几何关系，最后可得： l=( T0/w)(tanθb-tanθa)

33. 锚泊线静力分析 单一成分锚泊线自由悬垂时， 其最低点的切线方向水平，即倾角为零， 此处的张力T0等于任一悬点处张力T 的水平分力。 受力分析如下所示： (9)

34. 以θa=0、Ta=Tb代入上面模型的相关算式中， 并将Tb与θb换成T与θ，将y换成水深h， x换成悬垂线两端点的横距S，则可得到：

35. tanθ=wl/T0

36. 上面一组4个公式中， 含有7个变量：θ、w、l、T0、T、h和S， 不同的情况有不同的算法， 例如，已知水深h、锚泊线单位长度重量w和 锚泊线上端连接着的被系留物所受的水平 外力Q（此时T0=Q）， 便可根据上式计算出： 保持锚泊线下端切线方向水平所需的悬垂长度l， 上端张力T及其倾角θ， 悬垂线上下两端的横距S。

37. 有弹性锚泊线静力方程 设计入流力作用的有弹性缆索元静力模型中， A是缆索的横截面积，E是缆索的弹性模量， Fndl’是缆索元上的法向压差阻力， Ftdl’是缆索元上的切向摩擦阻力， dl是缆索元未变形的长度，dl’是变形后的长度， 其余符号的定义与 相同。

38. 在静力平衡条件下，沿切向和法向可得到： -T+(T+dT)cosdθ-wsinθdl+Ft(1+T/(AE))dl=0 (T+dT)sindθ-wcosθdl-Fn(1+T/(AE))dl=0 由于cosdθ≈1，sindθ≈dθ，dTdθ≈0， 从而得到：

39. 由几何关系得到 式中的Ft与Fn分别为缆索单位长度上 的切向阻力与法向阻力， 各按下式计算：

40. 式中ct与cn分别为切向与法向阻力系数， V为流速，ρ为海水密度，c为缆索直径。 通常已知w,A,E,c,ρ, ct, cn,V。只要给一组 初值T1、θ1，即可通过数值积分得到沿l 变化的T、θ、x和y的值。

41. 在已知锚泊线的预张力Tp和水深h的条件下， 求锚泊线自由悬垂状态的有关参数值时， 假定一个上端倾角θ1， 以Tp（= T1）与θ1为初值， 由上往下积分， 直至θn=0为止。 这时得到的ln即为悬垂长度l， xn为相应的横距S

42. 锚泊线的动力分析 • 移动式平台常常受到风浪的作用，这些作用对锚泊系统引起的动力响应比静力响应严重得多。考虑锚泊线动力学可以把锚泊线简化成由一系列的质点和无质量的弹簧组成的二维质量弹簧系统。

43. 其中： 为第j个集中质量及 其法向与切向附加质量；

44. 是第j个集中质量在z、 x方向的加速度。 且有：

45. 其中 是锚泊线分段长度上的流阻力。 根据以上方程和工作环境的 具体参数就能解出锚泊线的 受力情况和位移。

46. 最后，向施老师在学习和做人方面给予我们的指导和帮助表示感谢并致以敬意！最后，向施老师在学习和做人方面给予我们的指导和帮助表示感谢并致以敬意！

47. THE END