第38卷 第5期2009年10月 船海工程SH IP &OCEA N ENG IN EERI NG V ol.38 N o.5O ct.2009收稿日期:2009-02-25修回日期:2009-04-30基金项目:国家自然科学基金(50538050);国家863计划(2006A A09A 103,2006A A09A 104)。
作者简介:闫功伟(1982-),男,博士生。
研究方向:深水海洋平台的动力响应。
E -mail:yango ng wei_hit@qq.co mDOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2009.05.034张力腿平台的整体设计及拟静力性能分析闫功伟1,欧进萍1,2(1.哈尔滨工业大学土木工程学院,哈尔滨150090;2.大连理工大学土木水利学院,辽宁大连116024)摘 要:结合南海海域条件对传统式张力腿平台进行整体设计,计算平台所受各种环境荷载的大小,并采用拟静力分析法分析此平台的非线性运动响应,考虑平台水平漂移和下沉的非线性关系以及张力腿预张力、横截面面积、就位长度和立柱横截面面积等参数对平台运动响应的影响。
关键词:张力腿平台;整体设计;拟静力分析;非线性运动响应中图分类号:U 674.38;T E952 文献标志码:A 文章编号:1671-7953(2009)05-0142-04张力腿平台(tension leg platform,T LP),是一种垂直系泊的顺应式平台,通过数条张力腿与海底相接,具有半固定、半顺应的运动特征。
它可以分为三部分:平台本体、张力腿系统和基础部分。
平台本体的主要运动形式[1]有横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇、首摇。
整个结构的频率跨越海浪的一阶频率谱两端,从而避免了结构和海浪能量集中的频率发生共振,使平台结构受力合理,动力性能良好。
TLP 的结构形式发展倾向于多元化、小型化,以适应于不同油藏条件及边际油田的开发。
按平台本体形式[2]不同可以分为传统式张力腿平台(CT LP)、海星式张力腿平台(seastar TLP)、迷你式张力腿平台(M OSES T LP)和延伸式张力腿平台(ETLP)。
T LP 示意见图1、2。
结合我国南海海域海况条件,开展了CT LP平台的整体方案设计。
1 T LP 的整体设计TLP 平台的整体设计[3]需要做以下几方面的工作:¹根据平台的功能要求,确定出比较合理的平台总体尺度;º规划设备位置,均衡平台中心;»进行张力腿的张力估算;¼确定出设计能力界限。
平台总体规划流程见图3,中间框内4项工图3 TLP 总体设计规划流程作是一个小循环,需要反复调整以达到设计要求。
1.1 TLP 环境荷载的确定风、浪、流等海洋环境参数选用文献[4]提供数据。
考虑两种工况:工况1,1年一遇环境条件;工况2,100年一遇环境条件。
1)平台风荷载计算。
作用于平台上体各部分的风力F 应按下式计算:F 风=C h C s S p (1)式中:p )))风压,kPa ;S )))平台在正浮或倾斜状态时受风构件的正投影面积,m 2;C h )))受风构件的高度系数,其值可根据构件高度h(构件形心到设计水面的垂直距离)由规范查表确定;142张力腿平台的整体设计及拟静力性能分析)))闫功伟,欧进萍C s)))受风构件形状系数,其值可根据构件形状由规范查表确定,也可根据风洞试验确定。
2)平台流荷载计算海流对立柱及浮筒的作用力计算公式如下:F流=0.5C d Q A U2(2)式中:U)))流速;Q)))流体密度;A)))构件朝流体流速方向的投影面积;C d)))经验和试验得到的阻力系数,直径大于0.3m的细长圆柱,C d取0.7。
3)平台波浪荷载计算波浪荷载参考中国船级社5海上移动式平台入级与建造规范(2005)6,采用设计波[5]的方法计算。
由于D/L<0.2,邱卡数K=U max T/D<5,所以取阻力系数C d=0,根据莫里森方程积分可以得出张力腿平台立柱所受波浪荷载的计算公式。
公式推导如下:波数k=2P/L质点水平速度u=H(P/T)e kz cos H质点水平加速度u#=2H(P/T)2e kz sin H莫里森方程:d F=C m Q d V u#n(3)平台立柱所受波浪力可按如下公式计算:F浪=C m Q P r2Q0-h u#d z=P2r2Q H LT2C m(1-e-kh)sin H(4)M=C m Q P r2Q0-h(h+z)u#d z=P2r2Q H L hT2C m sin H1-(1-e-kh)kh(5)式中:T)))波浪周期;H)))设计波高;L)))对应中间水深的设计波长;r)))立柱半径;h)))海面到立柱底面的距离;C m)))惯性力系数。
根据以上各式计算的环境荷载见表1。
表1中平台所受力矩是以立柱底面为基准面计算的结果。
从表1中可以看出:平台所受环境荷载主要是波浪载荷,风、流荷载所占比例很小。
表1平台本体所受最不利环境荷载荷载工况1工况2 F风/N8.7@105 1.8@106M风/(N#m) 3.6@1077.3@107F浪/N 2.4@107 3.1@107荷载工况1工况2M浪/(N#m) 2.9@108 3.6@108F流/N 4.7@105 1.9@106M流/(N#m) 4.3@106 1.7@107合计F/N 2.5@107 3.5@107M/(N#m) 3.3@108 4.5@108 1.2TLP整体设计结果根据最不利荷载组合计算相应的平台漂移和下沉并校核张力腿平台各部分是否满足强度要求及其他要求,主要校核内容包括甲板、张力腿等部分强度校核,扭转、侧移校核,基础设计及抗拔校核。
根据校核结果不断调整平台的各设计参数(主要调整参数为平台张力腿预张力大小、平台本体吃水和浮箱尺寸等)并再次校核以达到设计要求,最终设计出的张力腿平台各参数,见表2。
表2张力腿平台的主要设计参数名称设计参数平台上体船体高度42m,设计吃水22m,上体总重17355t,总排水量2.94@104t甲板直升机甲板22m@22m,上层甲板54m@52m,下层甲板52m@52m立柱外径16m,内径7m,高度35m,数量4个,中心距50m浮箱高度7m,宽度12m,长度34m,数量4个张力腿外径1.2m,内径1.12m,就位长度978m,数量4@2根,总预张力1.02M N2T LP拟静力响应分析采用拟静力分析的方法分析平台在水平荷载作用下的运动响应[6],设计TLP本体见图4。
图4设计TLP本体143第5期船 海 工 程第38卷拟静力分析的对象选取上文初步设计出的平台,分别考虑不同的张力腿预张力(T )、不同的张力腿横截面积(A )、不同的平台就位水深(L )和不同的立柱横截面面积(S )。
在拟静力分析的建模和具体分析中还考虑了预张力引起选用的张力腿原长的改变,平台运动过程中浮力的改变引起的平台漂移和平台下沉之间的几何非线性,平台浮力的改变引起平台水平荷载与平台漂移之间的非线性等。
分析模型的建立主要有以下假定[7-9]:1)平台张力腿所受浮力与重力相等,即张力腿按/中浮性0原则设计。
2)引入/平行张力腿0假设,即假定张力腿系统的刚度足够大,在平台直线性运动过程中始终保持平行、绷紧状态,这样可建立平台的二维非线性拟静态分析模型,如图5。
图5 TLP 拟静态分析模型图中:F h )))平台所受水平作用力;x )))水平漂移;z )))垂向下沉;H )))平台偏角。
L 0=E A t I t /(F t +E A t )(6)L ts =(L t -z )/cos H(7)式中:L t )))张力腿就位长度;F t )))张力腿顶端预张力;A t )))张力腿总横截面面积;L 0)))张力腿原长;L ts )))张力腿偏移后的长度;对于平台偏移后的平衡位置有方程F ts cos H =F t +Q S gS c z (F ts -F t )L 0=(L ts -L t )E A t(8)式中:S c )))立柱总横截面面积;两式联立求解可得出对于给定的每一个转角H ,有:z =(1-co s H )(E A t I t -F t L 0)Q s gS c L 0+E A t(9)进而求得x =(L t -z )tan H(10)F h =(F t +Q S gS c z )tan H(11)结合上述推导公式,在给定的水平荷载下,采用MATLAB 软件编程求解,分别得到不同张力腿预张力、横截面积、就位长度以及不同立柱横截面积等工况条件下平台的运动响应,结果如图6~9。
144张力腿平台的整体设计及拟静力性能分析)))闫功伟,欧进萍其中动张力是指在平台运动过程中张力腿张力相对于预张力的增量。
3结论1)在风、浪、流联合作用下,波浪载荷对T LP 平台的作用占主导地位:操作工况(一年一遇)下风、浪、流占总水平荷载分别大约为 3.4%、94.7%、1.9%,占总力矩分别约为10.9%、87.8%、1.3%;极端自存工况(100年一遇)下风、浪、流占总水平荷载分别大约为5.2%、89.3%、5.5%、占总力矩分别约为16.2%、80.0%、3. 8%。
因此,在一定条件下可以将风及流对平台整体运动的影响简化考虑。
2)拟静力分析方法可以分析得到诸如风、浪、流联合作用下平台水平漂移和竖向下沉及其不同张力腿预张力、横截面积、就位长度影响等平台运动的性能,这种方法在平台整体设计及优化过程中不失为一种有效的分析方法。
3)TLP平台垂向下沉与张力腿内张力基本呈线性关系,影响其斜率的主要因素是立柱的横截面面积,即平台上体单位下沉引起浮力大小的变化,所以平台的垂向运动可以简化考虑为一定刚度的弹性振动,刚度大小主要取决于立柱的总横截面面积。
4)考虑张力腿的伸缩和浮力的改变等因素, TLP平台运动会呈现不可忽略的非线性特性。
如平台水平荷载分别与水平漂移和下沉间的非线性关系,平台水平漂移和垂向下沉间的非线性关系,等,张力腿的初始预张力及就位长度对平台本体的水平漂移、下沉以及相关的非线性特性有较明显的影响;立柱及浮箱尺寸的变化直接影响平台环境荷载和浮力等,对平台的各个响应特性都有一定的影响。
所以结合TLP平台的就位水深,张力腿的初始预张力及就位长度和立柱及浮箱尺寸的确定及优化将是平台整体设计和运动性能优化的主要内容。
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