悬臂梁结构分析

摘要：以某型自升式钻井平台的悬臂梁为例建立相应结构分析模型，给出了分析的载荷及边界条件，并对不同载荷条件下的计算结果进行了分析和评估，可作为此类结构设计的参考。

关键词：悬臂梁，结构分析.

Abstract: to a certain type of jack-up drilling platform as an example of the cantilever beam establish corresponding structure analysis model, and gives out the analysis of load and boundary conditions, and under the conditions of different load calculation results are analyzed and evaluated, and can be used for this kind of structure design of the reference.

Keywords: cantilever beam and structure analysis.

中图分类号：O655.4 文献标识码：A 文章编号：

正文：

1 引言

陆上可利用的资源和能源越来越少，许多国家都把开发利用海洋资源和能源作为国家战略[1]。经过近几十年的高速发展，我国的能源问题日益严峻。我国的海域辽阔，海上资源的开发潜力巨大，是未来我国能源可持续发展的重点[2~4]。

海上作业平台是进行海上资源开发的重要装备，目前我国在海上钻井平台的开发设计方面与技术先进国家尚有较大差距。移动式海上平台在我国海上油气勘探开发中发挥着重要作用[5]，开展海上平台关键技术研究对保障我国能源安全和推动我国装备制造业的发展具有重要意义。

自升式钻井平台属于海上移动式平台，适宜于近浅海作业，是目前被广泛使用的海上钻井装备之一。本文以某型自升式钻井平台的悬臂梁为例，对其进行结构分析和强度评估，为此类结构的设计提供参考方法。

2 悬臂梁分析模型

大型通用有限元程序MSC.Patran/Nastran被广泛应用于船舶及海洋工程领域，并且通过多数主要船级社的认可，本文采用该程序对悬臂梁进行建模和结构分析。

本文对静载工况下的悬臂梁结构进行分析。悬臂梁结构的主要承载构件为左、右舷侧的纵向舱壁结构，考虑到结构的对称性，对分析模型进行适当简化，取右舷的纵向舱壁结构进行分析。

悬臂梁分析模型由壳与实体单元组成，舱壁结构的板材和扶强材部分采用壳单元模拟，舱壁结构底部和顶部的厚法兰板材采用实体单元模拟。整个模型共有节点8126个，单元8560个，其中实体单元1306个，四边形壳单元5827个，三角形壳单元1427个。悬臂梁的分析模型如图1所示。

图1 悬臂梁结构模型

悬臂梁结构的所有材质为高强或超高强度钢，最小屈服应力不小于355MPa。舱壁结构的主要构件包括井架下舱壁板、顶部和底部厚板及其中间的舱壁板，其余的为次要构件。平台外部结构的设计最低温度为－20°C，舱壁板材的板厚及对应材料等级如表1所示。

舱壁结构在底部基线0～2.61m、5.22～8.535m高度范围内及舱壁与井架横梁连接位置采用HT53和EQ56级超高强度钢，其余部位结构采用DH36、EH36级高强度钢材。

3 载荷条件

分析采用的载荷取自悬臂梁结构的设计载荷，设计载荷具体内容如表2所示。

分析时，最大的合成井架载荷取11564.8kN，这一载荷值包含所有的回复力、大钩/转动载荷和拉力载荷。

根据悬臂梁和井架在不同位置时的作业载荷情况，选取两种关键载荷工况进行结构分析。

1）工况1：悬臂梁处于最大伸长状态，钻井中心位于船体外侧22.86m，向右舷侧移4.572m。施加的载荷如表3所示。

在工况1载荷条件下，悬臂梁前端部的固定载荷达到最大值，相应的大钩载荷为4852.768kN，不考虑钻杆载荷。

2）工况2：最大剪切状态，钻井中心位于船体外侧13.716m，向右舷侧移4.572m。施加的载荷如4所示。

表4 工况2载荷

在工况2载荷条件下，悬臂梁的支承载荷达到最大值，相应的大钩载荷和转动载荷分别为7116.8kN和4448kN，不考虑钻杆载荷。

4 边界条件

悬臂梁的支承位置边界采用弹簧单元来模拟，悬臂梁前端的底部的法兰与固定扣装置之间的间隙采用设定的位移边界来代替，模型的一侧施加侧向约束。不同工况下的边界约束具体如图2、3所示。

图2 工况1边界约束

图3 工况2边界约束

5 计算结果及分析

5.1 计算结果

各工况载荷下的悬臂梁结构应力计算结果（Pa）如下：

1）工况1：悬臂梁最大伸长状态（最大弯矩状态）

图4 等效应力分布

图5 纵向应力分布

图6 剪应力分布

2）工况2：最大剪切状态

图7 等效应力分布

图8 纵向应力分布

图9 剪应力分布

由图4～9中的应力分布可以看出，对于所有工况，板材构件较大应力出现在舷侧纵向舱壁与井架横梁连接位置及与底部支承位置对应的舱壁上部及底部区域：最大等效应力发生在舱壁与井架横梁连接位置，最大值为363MPa；最大纵向应力发生在与支承位置对应的悬臂梁顶部区域，该应力属弯曲应力，最大值为227MPa；最大剪切应力均发生在舱壁与井架横梁连接位置，最大值为182MPa。

各工况下的结构最大应力计算结果如表5所示。

表5 不同工况下的结构最大应力

根据ABS和CCS规范相关内容要求，平台各部分结构的应力必须小于构件的许用应力[6,7]。

许用应力 （1）

其中， 为材料的屈服应力， 为安全系数。根据CCS船级社《海上移动平台入级与建造规范》[6]，安全系数按下表取用：

表6 安全系数

根据上述计算结果，悬臂梁结构的强度满足规范要求。

6 结语

本文以某型自升式钻井平台的悬臂梁结构为例，采用数值仿真方法对静载荷工况下的悬臂梁进行分析，并参照海上平台规范要求对计算结果进行分析和评估。结果表明，支撑井架舱壁结构、悬臂梁底部支撑位置及其对应的悬臂梁顶部区域为高应力区域，在进行结构设计时应予以足够重视。算例中的悬臂梁结构设计满足海上平台规范规定的强度要求，本文的分析方法和所得结论可供平台设计人员参考。

参考文献：

[1]方银霞，包更生，金翔龙. 21世纪深海资源开发利用的展望[J].海洋通报，2000，19(5):73～78.

[2]李永芹.海域油气资源――中国未来能源的接力军[J].中国石油和化工经济分析，2001(l):55～60.

[3]张用德，袁学强.我国海洋钻井平台发展现状和趋势[J].石油矿场机械，2008，37(9):14～17.

[4]赖笑辉，王维旭，栾苏等.我国海洋钻井装备国产化现状及发展展望[J].石油矿场机械，2010，39(12):15～18.

[5]施丽娟，李东升，潘斌.自升式钻井平台结构自振特性分析[J].中国海上油气(工程)，2001 (5):38-41.

[6]中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社，2005.

[7] Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units[S].ABS,2009.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。