1、1自升式平台桁架腿性能参数敏感性分析摘要：本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过 ANSYS 有限元分析软件对其进行了静强度分析。以等效应力作为参数敏感性分析的性能指标，综合考虑了可变载荷、桁架腿间距、弦杆距离及水深等因素对桩腿性能指标的影响，进行了参数敏感性分析。对保证桩腿结构的安全性及桩腿结构优化具有重要意义，为自升式平台桁架式桩腿设计提供参考依据。 关键字：自升式海洋平台 桁架式 ANSYS 参数敏感性 中图分类号： TU323.4 文献标识码： A 文章编号： 1 绪论 作为海洋油气勘探开发的重要装备，自升式平台是目前发展最为迅速、应用最为广泛的移动式平台，主要由平台主体、桩腿、升降系
2、统、作业装置等组成。平台在工作时利用升降系统将平台主体举升到海面以上，免受波浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底进行作业。完成任务后，平台主体下降到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位作业。 桩腿是自升式钻井平台的关键构件，有柱体式和桁架式两大类。柱体式桩腿由钢板焊接成封闭式结构，其断面有圆柱形和方箱形两种，一般用于作业水深 60m 以下的自升式平台。水深加大，波浪载荷更大，结2构重量增大，宜采用桁架式桩腿。它由弦杆、水平撑杆和斜撑杆组成，在弦杆上装有齿条。桩腿可按地质条件需要设置桩靴，桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形几种。与壳体式桩腿相比，桁架腿不仅重量轻，而且可以有效降低波
3、浪力作用，从而降低平台结构的位移和应力响应，是一种较为理想的桩腿型式。平台工作水深变化较大，桩腿结构柔性较大，在波浪等环境载荷的作用下会产生较大位移、应力响应。本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过 ANSYS 有限元分析软件，对其进行了静强度分析及性能参数敏感性分析。 2 桁架式自升式平台桩腿腿强度分析 2.1 桁架腿结构 桁架腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受的载荷传递给海底地基。桁架腿是镂空式结构，由弦杆（含齿条） 、水平撑杆及斜撑杆组成，截面形状多为三角形，桁架腿下部一般连接有桩靴或桩脚箱，通过它们坐在海底，如图 1 所示。 图 1 桁架式桩腿示意图 桁架式桩腿型式有很多种
4、，主要差别在于撑杆支撑形式的不同。常见的撑杆形式主要有三种：第一种是 K 型，这种型式比较传统，应用广泛，Friede 桁架腿材料弹性模量：206.8Gpa (2) 环境载荷数据 海水密度：1025 kg/m3 海流流速：0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s (3) 水深范围 90m、105m、120m、135m (4) 可变载荷 3500t、4000t、4500t、5000t (5)桩腿间距 35m、40m、45m、50m、55m (6) 桁架腿几何尺寸 弦杆距离：10m、11.5m、13m、14.5m 节距：3m 弦杆：381mm32mm 水平横撑杆：21922mm 水平
5、内撑杆：16811mm 斜撑杆：21922mm 3.4 参数敏感性分析 7在不同影响参数变化的情况下桁架腿的弦杆、水平撑杆、水平内撑杆和斜撑杆的最大应力变化如图 2 所示。 (a) 弦杆最大应力变化 (b)水平撑杆最大应力变化 (c) 水平内撑杆最大应力变化 (d) 斜撑杆最大应力变化 图 2 不同影响参数对桁架腿各结构的影响 从上图中可以看出，海流的变化对桩腿的强度影响最为灵敏，其次是水深、可变载荷和桩腿间距，弦杆距离对桁架腿桩腿强度影响较小。桩腿结构中，弦杆对桁架腿强度贡献最大，水平横撑杆及水平内撑杆对桩腿强度的贡献相对较小，这是因为弦杆是桩腿结构中主要竖向构建承受着平台主体自重并承受着来
6、自水平方向的环境载荷。 4 结论 (1) 通过参数敏感性分析表明，弦杆对桁架腿强度贡献最大，水平横撑杆及水平内撑杆对桩腿强度的贡献相对较小，桩腿设计时要着重考虑弦杆的设计。 (2) 基于参数化建模方法所建立的简化模型是基本合理的。其一次建模后，通过参数调整实现多个工况，多种结构几何尺寸重复计算，能有效提高计算效率，减少了重复建模的时间，具有实际工程意义。 参考文献 1. 孙东昌, 潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究M. 上海: 上海交通大学出版社, 2008 82.蒙占斌. 自升式海洋平台整体结构强度的有限元分析J.石油工程技术,2008(6):41-43,58 3.龚曙光,谢桂兰. ANSYS 操作命令与参数化编程M. 北京: 机械工业出版社, 2004.1106
