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隨著海上石油開發(fā)由淺海逐漸向深水海域的發(fā)展，石油鉆井平臺的作業(yè)水深也由淺入深。就深海石油開發(fā)而言，深海半潛式鉆井平臺不僅是個主導(dǎo)品種，而且其技術(shù)水準和建造的工藝技術(shù)水平可稱之為高技術(shù)的代表。
半潛式鉆井平臺是目前世界上最先進的第五代半潛式鉆井平臺，屬高技術(shù)、高附加值產(chǎn)品，大連新船重工有限責(zé)任公司在激烈的國際市場競爭中，承接了四座BINGO900型鉆井平臺，并完成了四座平臺一期工程的建造工作，對該半潛式鉆井平臺的設(shè)計建造技術(shù)進行了前期開發(fā)。
為了開展半潛式鉆井平臺產(chǎn)業(yè)化工程，本研究對該平臺管節(jié)點結(jié)構(gòu)進行了疲勞有限元分析。首先，根據(jù)各大船級社規(guī)范中對海洋平臺在波浪下的載荷計算的規(guī)定，采用三維格林函數(shù)法，BINGO9000半潛式鉆井平臺在工作狀態(tài)下，不同浪向、不同波浪周期、不同波浪相位等條件組合下所受的波浪載荷進行計算。其次，采用空間板梁組合單元建立了該半潛式鉆井平臺整體三維有限元模型。結(jié)合北海波浪長期分布資料，計算了4個浪向、9個波浪平均周期共72種波浪載荷工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(在每個浪向和平均周期下，要計算最大應(yīng)力值和最小應(yīng)力值兩種情況)。為進行管節(jié)點結(jié)構(gòu)進一步二次應(yīng)力分析提供了局部模型的邊界條件。最后，建立了管節(jié)點結(jié)構(gòu)局部有限元模型進行疲勞強度分析。在計算管節(jié)點結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍時，本文采用了熱點應(yīng)力法，澎并根據(jù)DNV規(guī)范，S-N曲線，計算出各應(yīng)力范圍單獨作用時管節(jié)點結(jié)構(gòu)疲勞破壞的最大循環(huán)次數(shù)。
在計算各應(yīng)力范圍可能出現(xiàn)的循環(huán)次數(shù)時，采用了譜分析方法，最后根據(jù)線性疲勞累積損傷準則計算出管節(jié)點結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。本文通過對BINGO9000半潛式鉆井平臺整體有限元強度計算和局部管節(jié)點結(jié)構(gòu)疲勞強度分析，對該平臺的結(jié)構(gòu)形式，以及在各種海況下，整體結(jié)構(gòu)和管節(jié)點結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布、疲勞壽命等有了更為清楚的認識，為國內(nèi)今后該類半潛式鉆井平臺的設(shè)計和建造提供了寶貴的技術(shù)依據(jù)。
海洋結(jié)構(gòu)物常用的波浪力計算方法主要有Morison方程法，切片法和三維格林函數(shù)法(邊界元法)。Morison方程法是一種一維的經(jīng)驗公式法。計算簡單，精度能滿足一般工程需要，是常用的一種計算波浪力的方法。但是它的計算系數(shù)主要基于實驗的方法，對于不同的結(jié)構(gòu)形式需要仔細的分析和驗證，否則結(jié)果不夠準確。而且只能給出平臺各部分總的波浪力，不能給出平臺表面的波浪力分布，不適合本文中的平臺整體有限元模型。切片法計算能夠給出平臺表面的波浪力分布，但是計算精度較低，只適用于細長體的計算，不適合半潛狀態(tài)的平臺的計算。三維格林函數(shù)法亦稱邊界元法、奇點分布法或源匯分布法。它的算法復(fù)雜，計算速度，但是計算精度高，而且在應(yīng)用上相當(dāng)靈活，對邊界的適應(yīng)性很強，能給出平臺表面的波浪力分布。
隨著近年來計算機速度的不斷提高，這一方法得到了進一步發(fā)展，開始得到實際的應(yīng)用。基于線性化自由表面和物面條件，對于某一周期的波浪，可以通過在物體的表面上劃分網(wǎng)格，在網(wǎng)格上分布滿足自由表面條件的源、匯或偶極子，使用適當(dāng)?shù)母窳趾瘮?shù)及其導(dǎo)數(shù)，利用物面邊界條件求得源強或偶強的分布函數(shù)，進而計算出這些奇點的總體在域內(nèi)任一點引起的速度勢。求得流場內(nèi)的速度分布和水動壓力，進而得到平臺的水動力系數(shù)和入射波浪力，代入運動平衡方程得到平臺的運動狀態(tài)和所受的總外力。再將平臺所受外力積分得到波浪彎矩、剪力和扭矩。BINGp9000半潛式鉆井平臺工作水深較深，故波浪力計算時使用無限水深無航速脈動源格林函數(shù)計算。
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