導(dǎo)管架火炬臂整體拖航疲勞分析與優(yōu)化

導(dǎo)管架火炬臂整體拖航疲勞分析與優(yōu)化

0采用拖航疲勞分析的火炬臂優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為海洋平臺(tái)的燃油燃燒支撐結(jié)構(gòu)，火炬臂位于平臺(tái)上部組的主甲板上，另一端延伸至空中，為海洋平臺(tái)的油氣燃燒提供安全距離。隨著導(dǎo)管架平臺(tái)不斷往深水海域發(fā)展，上部組塊與火炬臂質(zhì)量不斷增加，為了減少海上安裝的施工量和成本，火炬臂與組塊整體拖航至作業(yè)海域的方式已成為工程上的必然趨勢(shì)。文獻(xiàn)采用SACS軟件建立某導(dǎo)管架平臺(tái)上部組塊有限元模型，在傳統(tǒng)3點(diǎn)連接式火炬臂結(jié)構(gòu)的拖航疲勞分析結(jié)果基礎(chǔ)上，針對(duì)其不足，提出一種更優(yōu)的新型火炬臂結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)新型火炬臂進(jìn)行整體拖航工況下的疲勞計(jì)算和局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式火炬臂的拖航疲勞損傷數(shù)值和拖航疲勞損傷分布結(jié)果，得出基于拖航疲勞分析的火炬臂優(yōu)選結(jié)構(gòu)。文中相關(guān)研究為整體拖航式火炬臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供可行的方案和技術(shù)支持。1．拖航駁船響應(yīng)幅值算子火炬臂結(jié)構(gòu)在拖航工況下引起的疲勞損傷主要是由駁船在環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)造成的(1）拖航駁船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子基于水動(dòng)力分析基本原理，拖航駁船的運(yùn)動(dòng)方程式中：X為拖航駁船的位移矩陣，m;X′為拖航駁船的速度矩陣，m/s;X″為拖航駁船的加速度矩陣，m/s取單位波幅，即ζ（t)=1，對(duì)式（1）進(jìn)行求解，即可得到拖航駁船重心位置運(yùn)動(dòng)X（ω，θ）、速度X′（ω，θ）和加速度X″（ω，θ）的響應(yīng)幅值算子（ResponseAmplitudeOperator,RAO）。(2）組塊結(jié)構(gòu)所受慣性載荷假定駁船與被拖組塊之間為剛性連接，根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論式中：F(3）結(jié)構(gòu)應(yīng)力譜根據(jù)結(jié)構(gòu)所受慣性載荷求得火炬臂各疲勞熱點(diǎn)應(yīng)力，即可得到該熱點(diǎn)的應(yīng)力傳遞函數(shù)，假設(shè)結(jié)構(gòu)響應(yīng)與波高之間呈線性關(guān)系式中：S(4）拖航海況疲勞損傷在各短期拖航海況下，管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力范圍符合Rayleigh分布式中：s為應(yīng)力范圍，為應(yīng)力幅值的2倍，Pa；σ(5）總拖航疲勞損傷根據(jù)Miner疲勞損傷線性疊加法則式中：n為波浪散布圖中各短期海況總數(shù)。2．3火炬臂拖航工況模擬為了明確設(shè)計(jì)和改進(jìn)的目標(biāo)，基于建立的拖航疲勞分析方法，首先對(duì)傳統(tǒng)3點(diǎn)連接式火炬臂的拖航疲勞特性進(jìn)行分析。采用SACS軟件建立上部組塊帶火炬臂整體拖航有限元模型，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)采用“面單元”和“梁?jiǎn)卧边M(jìn)行精確建模，其余附屬構(gòu)件根據(jù)各部分的質(zhì)量重心采用施加質(zhì)量點(diǎn)的形式進(jìn)行模擬，組塊與拖航駁船之間的支撐結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際拖航情況采用圓管進(jìn)行模擬?；鹁姹劢Y(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)3點(diǎn)連接式火炬臂，亦采用“梁?jiǎn)卧边M(jìn)行精細(xì)建模。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示?；谟邢拊Ｐ鸵约巴虾今g船RAO，對(duì)該火炬臂進(jìn)行整體拖航工況下的疲勞計(jì)算。選取JONSWAP譜作為計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力譜的波浪譜，考慮拖航周期為60d，管節(jié)點(diǎn)SCF根據(jù)Efthymiou公式進(jìn)行計(jì)算由圖4可知：從拖航疲勞損傷數(shù)值角度分析，傳統(tǒng)火炬臂在整體拖航工況下的拖航疲勞損傷較大，其中主弦桿與上部組塊相連位置節(jié)點(diǎn)（0000）的疲勞損傷值大于1，已不滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求；從拖航疲勞損傷分布角度分析，疲勞損傷較大節(jié)點(diǎn)主要集中于火炬臂與組塊相連位置，且越靠近火炬臂底端損傷值越大，這是由于越靠近火炬臂根部的節(jié)點(diǎn)受到火炬臂重力引起的彎矩越大，應(yīng)力幅值就越大，且火炬臂與組塊連接節(jié)點(diǎn)焊接工藝較復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。3基于癱瘓運(yùn)動(dòng)的火炬臂連接形式的改進(jìn)3.1火炬臂設(shè)置斜撐鑒于火炬臂與平臺(tái)上部組塊連接處剛度較小且所受彎矩較大，拖航疲勞損傷不滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。為此，對(duì)傳統(tǒng)火炬臂與組塊連接處的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由3點(diǎn)連接式改進(jìn)為5點(diǎn)連接式，改進(jìn)的新型連接形式如圖5所示，在原火炬臂上層主弦桿兩側(cè)分別增設(shè)斜撐，斜撐一端與上部組塊強(qiáng)梁相連，另一端位于原主弦桿第二節(jié)點(diǎn)下方600mm處。主弦桿與斜撐之間增設(shè)2個(gè)Φ325mm×10mm的水平撐桿，如圖5(a）所示；斜撐底端與下層弦桿采用Φ325mm×10mm的垂向撐桿連接，構(gòu)成梯形框架式結(jié)構(gòu)，以增加其穩(wěn)性，如圖5(b）所示。新型火炬臂增設(shè)斜撐的作用：一方面有效增加了火炬臂根部結(jié)構(gòu)的剛度，實(shí)現(xiàn)火炬臂與組塊連接位置處的剛?cè)徇^(guò)渡；另一方面，斜撐的增設(shè)使主弦桿的應(yīng)力發(fā)生再分布，從而減緩主弦桿與組塊連接位置處的應(yīng)力集中，改善主弦桿受力。3.2新型火炬臂疲勞分析建立組塊帶新型火炬臂整體有限元模型如圖6所示。計(jì)算提取新型火炬臂疲勞損傷較大的前6個(gè)節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷值及其所在位置，如圖7所示。由圖7可知，從疲勞損傷數(shù)值角度分析，較傳統(tǒng)火炬臂而言，新型火炬臂絕大多數(shù)管節(jié)點(diǎn)的拖航疲勞損傷數(shù)值小于傳統(tǒng)火炬臂。斜撐的增加有效改善了主弦桿與組塊連接位置的應(yīng)力集中，明顯降低該節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力幅值，使原疲勞損傷不滿(mǎn)足規(guī)范要求的節(jié)點(diǎn)（0000）滿(mǎn)足規(guī)范要求（疲勞損傷由1.04降低至0.07），說(shuō)明新型火炬臂結(jié)構(gòu)可以明顯改善關(guān)鍵疲勞節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)，提高其抗疲勞能力。分析較大疲勞損傷管節(jié)點(diǎn)的分布位置，新型連接形式的火炬臂疲勞損傷較大節(jié)點(diǎn)除與組塊連接位置處（節(jié)點(diǎn)0000、000D和0090）外，水平撐桿與主弦桿連接節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)0066和0067）疲勞損傷亦較大，這是由于該位置處水平撐桿的長(zhǎng)細(xì)比相對(duì)較大，對(duì)主弦桿的載荷傳遞效果欠佳，致使其應(yīng)力幅值較大，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞損傷較大。因此，水平撐桿與主弦桿連接位置處節(jié)點(diǎn)成為新型火炬臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。3.3疲勞損傷的節(jié)點(diǎn)分析由于新型火炬臂斜撐間垂向?qū)挾萀的大小直接影響火炬臂各管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷，為此對(duì)斜撐間垂向?qū)挾萀進(jìn)行敏感性分析，得到5種不同寬度的計(jì)算模型，如圖8所示。圖8的模型1為前文所分析的火炬臂結(jié)構(gòu)，即L提取5種模型的疲勞損傷最大值、均值及最大值所在節(jié)點(diǎn)如圖9所示。由圖9可知：拖航疲勞損傷最大值和均值變化趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，其中模型4的疲勞損傷值最小，模型5略有增加；較模型1（初始提出的新型火炬臂結(jié)構(gòu)）而言，模型4的最大拖航疲勞損傷降低31.0%，均值降低18.2%，具有更佳的抗疲勞性能，因此可作為優(yōu)選方案。分析疲勞損傷最大值所在的節(jié)點(diǎn)位置，前4種模型均為主弦桿與水平撐桿相交的0066節(jié)點(diǎn)，模型5則變?yōu)榛鹁姹叟c上部組塊相連位置處的000D節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明僅從最大損傷數(shù)值和均值對(duì)比5種計(jì)算模型不夠全面，為此引入最大疲勞損傷占比指標(biāo)，以衡量火炬臂所有管節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷數(shù)值在不同模型中的大小情況。首先，定義損傷矩陣D為式中：k為管節(jié)點(diǎn)總數(shù)；l為分析模型數(shù)目；d其次，引入最大疲勞損傷d在此基礎(chǔ)之上，對(duì)模型j中滿(mǎn)足d最后，得出模型j的最大疲勞損傷占比，即式中：P由式（9）計(jì)算5個(gè)模型的P由圖10可知，5種模型的拖航最大疲勞損傷占比亦呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，其中模型4的P綜合拖航疲勞損傷數(shù)值與P4結(jié)構(gòu)改進(jìn)的意義建立了考慮整體拖航的固定式平臺(tái)火炬臂疲勞分析方法，基于對(duì)傳統(tǒng)火炬臂疲勞性能弱點(diǎn)的分析，提出一種新型火炬臂結(jié)構(gòu)連接改進(jìn)形式，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化選型，得出結(jié)論如下：(1）傳統(tǒng)的3點(diǎn)連接式火炬臂結(jié)構(gòu)的高疲勞損傷管節(jié)點(diǎn)集中于其根部位置，且上部主弦桿與組塊連接管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷不滿(mǎn)足壽命要求，其根部疲勞性能較弱，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)或加強(qiáng)的主要區(qū)域。(2）與傳統(tǒng)3點(diǎn)連接式火炬臂相比，新型火炬臂兩側(cè)斜撐的增加，有效改善了主弦桿的受力，可弱化主弦桿與組塊連接位置處的應(yīng)力集中，