深海自升式钻井平台静态与动态响应分析研究

摘要

自升式钻井平台作为移动式海洋平台的一种，具备导管架平台等固定平台所不具备的若干优势，是深海能源勘探、开发的主要结构物之一，但由于自升式钻井平台的桩腿柔性较大，固有周期较长，随着作业水深的增加，在复杂多变的波浪载荷作用下，极易发生共振现象，造成整体的响应过大从而影响结构的整体强度，因此利用海洋结构分析软件对自升式钻井平台进行波浪作用下的动力响应分析是非常有必要的。此外，考虑自升式钻井平台作业海域极端环境的发生，尤其是百年一遇的风暴环境工况，必须对平台进行静态塑性倒塌分析来评估其强度余量。当自升式钻井平台长期遭受到中低频波浪的循环作用时，平台结构极易在交变载荷作用下发生疲劳损伤，影响整个海洋平台的使用寿命，因此对平台结构进行疲劳分析就显得极其重要。
　　本文针对自升式钻井平台在基础设计阶段所需解决的结构强度问题，采用国际海洋工程分析软件 SACS对在北大西洋海域作业的350英尺自升式钻井平台进行了静态塑性倒塌分析、波浪动力响应分析以及疲劳分析。首先，对目标自升式钻井平台结构进行三维全尺寸建模，将平台的主船体结构以及桩靴结构进行等效简化，选取北大西洋海域百年一遇的环境载荷作为极限载荷工况并考虑16个不同的环境方向，然后基于非线性倒塌理论，采用逐级施加载荷方法，利用 COLLAPSE模块对目标自升式钻井平台进行倒塌分析来求解平台的极限承载力以及平台结构率先发生损坏的杆件以及节点；其次，本文对作业工况下的自升式钻井平台进行了模态分析，并采用 SACS的随机波浪响应模块对平台进行了波浪动力响应分析，将所得到的基底剪力和倾覆力矩与静态相比较，判断平台结构发生共振的可能性以及波浪动力响应对平台结构强度的影响；最后本文基于 Miner线性累计损伤理论，采用 SACS的 Fatigue Damage模块对目标平台结构进行了确定性疲劳分析和谱疲劳分析，并就 S-N曲线、短期波浪谱和长期波浪散布图等影响谱疲劳分析结果的因素进行了参数敏感性分析，对三种参数的选择依据以及三者对平台结构疲劳寿命的影响进行了讨论。
　　通过对目标自升式钻井平台的动静态分析，本文得出目标平台结构的最大承载力为设计载荷的1.33倍，发生在112.5°和247.5°环境载荷方向，近桩靴区的桩腿撑杆是整个平台结构的易损构件，当发生损坏后其周围相近的弦杆的承载力也发生了明显下降，从而导致整个平台结构的倒塌损坏；本文所研究的自升式钻井平台的疲劳寿命较低的杆件集中在飞溅区且以撑杆为主，其中寿命最小的杆件为撑杆0180-0232，为39年，恰好满足平台25年服役寿命要求。

目录

声明

1绪论

1.1背景介绍

1.2课题的研究意义

1.3自升式钻井平台结构组成

1.4国内外研究综述

1.5 论文研究内容以及方法

2.1概述

2.2波浪理论

2.3确定性波浪分析方法（设计波分析方法）

2.4波浪载荷计算及结构响应

2.5海流载荷计算

2.6海流作用的结构的形状和尺寸

2.7风载荷的计算

2.8本章小结

3.1 SACS概述

3.2 SACS各模块功能介绍

3.3本章小结

4自升式钻井平台结构模型

4.1有限元模型建立

4.2平台载荷的施加

4.3平台基本载荷工况的设定

4.4本章小结

5自升式钻井平台倒塌分析

5.1自升式钻井平台倒塌分析的意义

5.2 SACS进行倒塌分析的原理

5.3倒塌分析输入文件的设定

5.4倒塌分析计算结果

5.5本章小结

6自升式钻井平台疲劳分析

6.1自升式钻井平台疲劳分析的意义

6.2 SACS进行疲劳分析的原理与步骤

6.3自升式钻井平台模态分析

6.4波浪动态响应分析

6.5确定性疲劳分析

6.6谱疲劳分析

6.7自升式钻井平台疲劳损伤敏感性分析

6.8本章小结

7.1总结

7.2展望

参考文献

在 学 研 究 成 果