自升式平台最早出现于1955年，因其在波浪中运动幅度较小，故是浅海油田常用的钻井设施。根据底部支撑形式的不同，自升式平台可分为：桩靴型和沉垫型，其中沉垫型平台适用于软土地基。自升式平台可拖航至不同海域进行作业。在拖航过程中，高达几十米的桩腿耸立在主船体之上，受到风力、倾斜重力和运动惯性力的作用，使桩腿根部产生很大的弯矩，因此桩腿根部和固桩架是自升式平台结构强度通常关注的区域之一但是对于扁平的大体积沉垫在波浪中的变形与强度通常被忽视，也未见到专门的文献论述这一情况。部分原因在于不能采用简单而有效的水动力理论计算作用在沉垫上的波浪动压力。由于自升式平台其主船体和沉垫非细长构件，因此不能采用Morison公式计算作用在其上的波浪动压力，同时沉垫和主船体相距很小，对流场有相互影响，因此不能采用比较成熟的切片理论计算波浪动压力。本研究针对一艘三桩腿沉垫型自升式平台的拖航过程进行了波浪载荷与结构强度分析。
      分析对象为桩腿沉垫型自升式平台。平台主船体主尺度为以宽X高=582mX402mX49m，沉垫呈平头A字型，尺度为长X宽X高，桩腿长度为77.72m。拖航时，沉垫上升至距主船体船底457m。采用SESAM软件系统对这一平台建立了一个三维空间板壳有限元模型，对固桩区和桩腿等重要区域采用了细化模型，以正确反映这些区域的受力清况。对于自升式平台，桩腿与周围结构的联结较复杂。其中桩腿与沉垫甲机底机纵横舱壁之间焊接，可传递6个方向上的载荷，桩腿及固桩区顶板之间以及与主船体底板之间用固桩锲块固定，只传递水平力，固桩区插销与桩腿之间，只传递垂向力。桩腿与其他结构均无连接，不存在直接的相互作用。对这些构件的相互作用，均需在计算模型中按实际模拟，才能正确反映固桩区和桩腿局部受力。
      平台在拖航状态中，受到以下几种载荷同时作用：静水载荷(包括重力与静水压力)、波浪动压力、运动惯性力、缆绳拖力、水阻力、风力等。对平台做总体强度分析时，通常只考虑静水载荷、波浪动压力和惯性力。波浪动压力和运动惯性力的计算在选定的设计波上进行，设计波应满足平台拖航时所遇到的最危险载荷。为了选定设计波，以重心所在横截面上的扭矩垂直弯矩以及中纵截面上的垂直弯矩为主要控制参数，计算平台在一系列规则波上的传递函数，选取使上述3个控制参数分别达到最大值时3个波浪的浪向与频率作为设计波参数。设计波波高则根据航线上的统计资料取定。
      由于平台在主船体下面存在一个开口的大体积沉垫，而且在拖航状态中，沉垫与主船体相距很小，对流场有相互影响。因此，本研究采用的是势流理论，考虑辐射和绕射影响，计算平台在拖航状态的波浪力。对于所有的设计波，均计算出相应的波浪动压力，并施加于结构上进行强度计算。作为一个示例，图为计算得到的沉垫甲板在斜浪特定相位作用下的波动压力，将其与平台结构变形结合起来，可看到波动压力是造成沉垫扭转的主要因素。波浪对平台的作用包括主船体与沉垫两部分，计算表明，两者之间的分配比例是随着浪向变化的。
      在横浪情况下，主船体受到的波浪诱导载荷大于沉垫所受到的波浪诱导载荷，在斜浪和迎浪作用下，平台受到的波浪诱导载荷主要由沉垫承受。将重力、静水压力、波浪动压力和运动惯性力同时施加于平台上，进行结构变形和内力计算，可得到各个工况下的应力详细分布情况。汇总所有的计算结果，可以查明平台拖航过程中出现高应力的区域。列出了船体甲板和沉垫底板最大应力(不计角隅应力集中)。从表中可知，沉垫受到的应力远高于主船体甲板的应力，说明在拖航过程中，沉垫强度是作业的制约因素。图为沉垫底板在设计波下的高应力分布区。由图可见，在斜浪作用下沉垫横档出现大面积高应力，而在迎字良横浪情况下沉垫横挡受力均较小，这是由于沉垫横档作为主要的抗扭构件，承受较大的扭矩作用。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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