1、本科毕业论文（20 届）三桩腿作业平台的结构强度设计所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - - 1 - -本科论文 目录目 录摘 要 .- 1 -1.绪论 .- 3 -1.1 研究背景 .- 3 -1.2 海洋平台介绍 .- 4 -1.3 本论文的目的与意义 .- 5 -2.环境条件和设计依据 .- 6 -2.1 环境条件 .- 6 -2.2 平台设计依据 .- 7 -2.3 计算工况 .- 7 -3.平台主尺度和结构图 .- 8 -3.1 平台甲板尺寸 .- 8 -4.载荷计算 .- 10 -4.1 风荷载计算 .- 10 -4.2 冰载荷计
2、算 .- 12 -4.3 波浪载荷 .- 12 -5.模型的建立 .- 15 -5.1 模型概况 .- 15 -5.2 各部分的模型 .- 15 -5.3 整个平台 .- 18 -6.施加载荷 .- 19 -6.1 风浪冰载荷施加 .- 19 -6.2 工况 .- 20 -7.计算结果 .- 21 -7.1 桩腿轴向应力 .- 21 -7.2 桩腿弯曲应力 .- 24 -7.3 桩腿组合应力 .- 26 -7.4 桩腿位移 .- 28 -7.5 平台主体梁单元轴向应力 .- 30 -7.6 主体梁单元弯曲应力 .- 32 -7.7 主体梁单元组合应力 .- 34 -7.8 平台主体梁单元位移
3、.- 36 -7.9 平台主体板单元的应力 .- 38 - - 2 - -本科论文 目录8.结论 .- 40 -参考文献 .- 41 -致 谢 .- 42 -英文资料 .- 43 -翻译 .- 60 - - 1 - -本科论文 摘要- 1 -三桩腿作业平台的结构强度设计摘 要随着海洋经济的到来，国内进入了海洋大力发展的阶段，尤其是油气资源的开发上，人们已经从陆地转向了海洋，这就意味着海洋工程装备的需求日益增大。自升式海洋平台是浅海重要的采油平台，它是移动式海洋平台，在国内有很大的应用。本文通过对自升式海洋平台的结构计算，检验设计是否符合强度要求，并通过细致的分析，优化平台结构。所以对平台的强度
4、结构设计有着重要的意义。本文以渤海海区的自然环境条件为设计依据，以自升式海洋平台中的三桩腿作业平台为例，运用 MSC-Patran&Nastran 有限元软件建立模型。在考虑了海风、海冰和波浪等环境荷载的基础上，对其结构强度进行了直接计算，从而进一步优化平台结构。关键词 强度设计；三桩腿作业平台；MSC-Patran&Nastran；应力；位移- - 2 - -本科论文 摘要- 2 -The design of the structural intensity of the Triangle pile work platformAbstract With the arrival of the
5、Marine economy, China goes into the stage of expanding marine, especially in the exploitation of the hydrocarbon resources. Human beings has been explore from land to ocean. It means that the growing demands of the offshore engineering equipment. The offshore platform of jack-up is the important pla
6、tform of the production .It is a moveable offshore platform, and used widely at home. Based on the result of jack-up offshore platform calculation, I test whether the design meets the needs of the structure or not ,and optimize platform structure through top-down analysis. Therefore, it is meaningfu
7、l for the design of the platforms structural intensity .Based on the Bohai sea area of natural environment conditions for design basis, and the example of the offshore platform of the three piles of leg, I use the MSC-Patran and Nastrans finite element software for constructing the model. In conside
8、ring the environmental load of sea wind , sea ice, and sea wave and so forth, I calculate the structural intensity of the offshore platform. Thereby, the platforms structure is further optimized. Key words intensity design, Triangle pile work platform, MSC-Patran&Nastran, stress, displacement- - 3 -
9、 -本科论文 正文- 3 -1.绪论1.1 研究背景1.1.1MSC-Patran&Nastran 介绍MSC-Patran 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。 MSC.Patran 最早由美国宇航局 （NASA） 倡导开发, 是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统， 其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的 CAE 集成环境。 MSC-Patran 作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能力和良好的适用性：模型处理智能化： 众多的公司为了节约宝贵的时间,减少重复建模,消除由此带来的不必要的
10、错误, MSC.Patran 应用直接几何访问技术（DGA） ，能够使用户直接从一些世界先导的CAD/CAM 系统中获取几何模型,甚至参数和特征。此外, MSC.Patran 还提供了完善的独立几何建模和编辑工具, 以使用户更灵活的完成模型准备。MSC.Patran 允许用户直接在几何模型上设定载荷、 边界条件、 材料和单元特性, 并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息, 以最大限度地减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可以可视化。 分析的集成：MSC.Patran 提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。这样可以使用户不必担心
11、不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在 MSC-Patran 中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的整体设计给出正确的判断, 进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。 分析结果的可视化处理：MSC.Patran丰富的结果后处理功能可使用户直观的显示所有的分析结果,从而找出问题之所在，快速修改，为产品的开发赢得时间，提高市场的竞争力。MSC.Patran能够提供图、表、文本、动态模拟等多种结果形式，形象逼真、准确可靠。1.1.2 国内海洋工程发展现状我国三大石油集团目前拥有的中深水桁架腿自升式钻井平台共计 25 座( 包括在建 8 座) 。其中 6
12、座平台役龄已超过 20 年, 勘探 2 号、渤海 4 号和 COSL 935 役龄甚至已超过- - 4 - -本科论文 正文- 4 -30 年。虽然很多平台已作改造,但仅更换部分设备和改善生活设施, 性能上没有大的改变。现有中深水桁架腿自升式钻井平台远远满足不了我国海洋石油勘探开发的需要。中国海洋石油总公司的(海洋石油 941 和(海洋石油 942 是目前国内自动化程度最高、作业水深最深、具有国际先进水平的自升式钻井平台。该平台属 F&G 设计的 JU2000 型, 一次定位最多能钻 30 多口井,并配备了自动化排管系统。目前 , 国内已经自主设计建造了多座浅水圆柱腿自升式钻井平台, 但在中深
13、水桁架腿自升式平台设计方面尚无业绩。国内造船厂如大连造船重工、沪东中华船厂等在上世纪 80 年代即开始建造钻井平台。在近年全球造船市场萎缩而海工市场兴起的情况下,国内大量船厂也开始建造钻井平台, 其中包括上海外高桥造船有限公司、烟台莱佛士船业有限公司、广州中船黄埔造船有限公司、南通中远船务、招商局重工( 深圳) 有限公司、青岛北海船舶重工、山海关船厂等。国内船厂建造自升式钻井平台的能力已经达到较高水平,为实现国产化创造了条件。1.1.3 海洋工程装备范畴海洋工程装备是指用于海洋资源勘探、开采、加工、储运、管理及后勤服务等方面的大型工程装备和辅助性装备。国际上通常将海洋工程技术装备分为三大类：海
14、洋油气资源开发装备；其他海洋资源开发装备；海洋浮体结构物。海洋油气资源开发装备是目前海洋工程装备的主体，包括各类钻井平台、生产平台、浮式生产储油船、卸油船、起重船、铺管船、海底挖沟埋管船、潜水作业船等。1.2 海洋平台介绍1.2.1 海洋平台为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物。按其结构特性和工作状态可分为固定式、活动式和半固定式三大类。固定式平台的下部由桩、扩大基脚或其他构造直接支承并固着于海底，按支承情况分为桩基式和重力式两种。活动式平台浮于水中或支承于海底，能从一井位移至另一井位，接支承情况可分为着底式和浮动式两类，近年来正在研究新颖的半固定式海
15、洋平台，它既能固定在深水中，又具有可移性，张力腿式平台即属此类。1.2.2 自升式平台自升式平台是指具有活动桩腿，且其主船体能沿支撑于海底的桩腿升至海面以上预定高度进行作业的平台，此种平台在海洋石油开发中被广泛应用。对于自升式海洋平台，站立状态下总体性能分析是平台作业的重要基础，是平台设计的主要内容，其概括起来可包含以下几个方面：桩腿强度；锁紧系统（升降系统）承载性能；预压载性能；桩靴承载性- - 5 - -本科论文 正文- 5 -能；抗倾稳性。因此，总体性能将直接影响到平台的操作安全及作业能力，是平台使用者最关注的重点。自升式钻井平台属于海上移动平台，由于其地位能力好和作业稳定好，在大陆架的
16、油气勘探开发中居重要位置。1.3 本论文的目的与意义我国拥有 300 万平方公里海疆，油气资源十分丰富。统计数据表明，我国海域石油资源量为 275.3 亿吨，天然气资源量为 10.6 万亿立方米，已探明有工业价值的海上油气田包括渤海、黄海、东海和南海的所有中国海域。近年来，我国海上油气开发的势头十分喜人。中国海上油田开发基本上是在滩海、浅海和近海，一般为 400 米以内的常规水深。而我国 300 米以上的海域有 153 万平方米，目前只勘探了 16 万平方米，有 90%还没有勘探，所以，未来深海油气开发将成为中国海洋油气的主战场。中国近海蕴藏着丰富的油气资源，根据勘探预测，在渤海、黄海、东海及
17、南海北部大陆架海域，石油资源量达到 275.3 亿吨，天然气资源量达到 10.6 万亿立方米，而目前原油的发现率仅 18.5%，天然气发现率仅为 9.2%，因此中国近海海域极具勘探开发潜力。海洋石油大开发的时代已经来临。如果中国未来 15 年经济增长维持在 7左右，原油需求将至少以每年 4左右的速度增长。在此背景下，更多地从海洋开发石油，已成为中国石油发展的新战略之一。中国国内石油产量在未来将更多地依赖于海上开采。20 年前我国海洋油气仅为 9 万吨油当量，到 2000 年已超过 2000 万吨油当量，年平均递增(以 1995 年为基础年计算)17.83%，远高于陆上油气产量的增长(陆上为 0
18、.9%)。海洋原油产量占全国原油产量的比重，从 1990 年仅占 1.05%提高到 2003 年的 14.4%，06 年已经达到 21.13%。天然气的这一比例则从 1995 年的 2.1%提高到 12.8%，海洋油气业所占的比例基本上是逐年提高的。中海油与中石油油气总产量的对比可见端倪：06 年相对 04 年，前者增长 16.68%，而后者的增速仅为 2.03%，海洋油气的地位越来越重要。自升式平台适用于几米到几十米水深，在我国渤海、黄海、东海水深一般都在几十米水深自升式平台有着广阔适用范围。本文选取的自升海洋平台为中油海 7、8 号自升式钻井平台，通过对其强度计算，能够了解所选的平台是否满
19、足规范，对平台的安全性具有重要的参考价值。- - 6 - -本科论文 正文- 6 -2.环境条件和设计依据2.1 环境条件中油海 7、8 号自升式钻井平台工作环境是在渤海，所以选择的环境载荷应该是渤海湾的自然情况下的情况。2.1.1 设计水深 设计水深 45m2.1.2 潮位校核高水位（50 年重现期） 3.08m设计高水位 1.48m平均海平面 0.00m设计低水位 -0.69m校核低水位 -2.32m2.1.3 波浪自存工况 100 年一遇最大波高 H=6m最大波浪周期 T=8.65s2.1.4 海流本海区潮流的运动形式为往复流，主流的方向大致与等深线平行，涨潮流的方向约为ESE 向，落潮
20、流为 WNW。海流最大速度 1.029m/s2.1.5 风设计风速工况设计风速下 36.0m/s自存状态设计风速下 51.5m/s2.1.6 海冰设计冰厚 0.30m- - 7 - -本科论文 正文- 7 -抗压强度 1717kPa2.2 平台设计依据单一应力分量，以及适当时这类应力的直接合成，均不应超过由下列公式求得的许用应力值:(2.1) sS式中 许用应力，MP a ； 规定的最低屈服点或屈服强度，MPa ；sS安全系数；对轴向拉应力及弯曲应力 S=1.67 ； (2.2) 0.6s普通钢的屈服极限 =235MPa；高强度钢的屈服极限 =320MPass平台用的是普通钢，所以平台的弯曲、轴向和组合许用应力 =2350.6=141MPa；桩腿用的是高强度钢，所以桩腿的弯曲、轴向和组合许用应力 =3200.6=192MPa；2.3 计算工况考虑平台最危险情况自存状态下检验平台的强度即可。平台在自存状态下受到风冰载荷作用：甲板载荷+风+冰, 作用方向 0甲板载荷+风+冰, 作用方向 90平台在自存状态下说受到风浪作用：甲板载荷+风+浪，作用方向 0；甲板载荷+风+浪，作用方向 90；
