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1、半潜式钻井平台设计规范分析应用及主要计算软件的分析应用半潜式钻井平台设计规范分析应用半潜式钻井平台，又称立柱稳定式钻井平台。大部分浮体没于水面下的一种小水线面的移动式钻井平台，是从坐底式钻井平台演变而来的。由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。此外，在下体与下体、立柱与立柱、立柱与平台本体之间还有一些支撑与斜撑连接。在下体间的连接支撑，一般都设在下体的上方，这样，当平台移位时，可使它位于水线之上，以减小阻力；平台上设有钻井机械设备、器材和生活舱室等，供钻井工作用。平台本体高出水面一定高度，以免波浪的冲击。下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线
2、面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性，所以又有立柱稳定式之称。半潜式钻井平台的类型有多种，其主要差别在于水下浮体的式样与数目，按下体的式样，大体上可分为沉箱式和浮体式两类。NDB半潜式钻井平台是浮体式平台，两个浮体分列左右，每个浮体上具有3个剖面圆形的立柱。为了减小平台在移位时的水阻力，浮体的首尾两端具有较好的流线型性。图1给出了NDB半潜式钻井平台的结构形式。图1 NDB半潜式钻井平台结构示意图1平台整体有限元模型1.1整体结构有限元模型的建立结构有限元模型的建立有两种方式：1）直接建立有限元模型；2）建立几何模型，再进行网格剖分，形成有限元模型。使用Patran软件建立N
3、DB整体有限元模型时，浮体、立柱、甲板部分采用直接建立有限单元的方法建立有限元网格，撑管部分的各种类型的管节点采用先建立几何模型，然后剖分获得有限元网格的方法。图1.1和图1.2给出了撑管部分管节点的几何模型及相应的有限元模型。图1.1 几个相交撑管的几何模型图图1.1 几个相交撑管的有限元模型图NDB平台整体结构有限元模型为空间板梁组合结构力学模型。外板和舱壁板等平板构件采用四边形和三角形壳单元来模拟；平台骨架包括纵桁、纵骨、横梁和肋骨等一般采用空间梁单元来模拟；对部分尺寸较大的骨材，腹板采用壳单元按实际结构尺寸来建模；对主要骨材的面板以及加强筋、扶强材等采用杆单元来建模。在整体有限元模型建
4、立过程中，结合ABS规范的要求，需要遵守以下准则：1） 网格尺寸应小于等于所表示的纵骨间距和肋骨间距（600mm）；2） 骨材以杆和/或梁建模，根据结构的变形和受力，确定骨材采用单元类型。对于承受弯曲变形的骨材，采用梁建模；对于仅承受拉压应力的骨材，采用杆建模；3） 单元要尽可能饱满，长宽比应不超过1: 4；4） 在划分网格时，尽可能避免三角形单元，特别是高应力区域和开孔周围、肘板连接处和折角连接处等应力梯度大的区域；5） 主要支撑构件腹板沿高度方向至少分为3 个单元。对于钻台、救生艇平台、直升机甲板等结构，其结构强度不是进行平台主体结构强度校核时所关心的，所以在整个平台的有限元模型中，可以不
5、将上述结构的有限元模型建出来，对于这些部位结构的钢料重量与重心位置，可以通过在结构对应部位用刚性连接施加质量单元来模拟。在本项目中，为了更精确的模拟整个平台的实际受力情况，上述提到的一些结构，如钻台、救生艇平台、直升机甲板，按照其实际尺寸在整体平台模型中建出他们的有限元模型。图1.3给出根据上述要求NDB半潜钻井平台整体有限元模型。图1.3 NDB半潜式钻井平台整体有限元模型图1.2平台主体结构有限元模型的调平由于在建立平台有限元模型时，忽略了一些小的次要的构件，这样有限元模型的重量与重心位置和实际结构必然存在一定的误差，所以需要对平台整体结构模型进行重量与重心位置的调节。采用的方法是通过修改
6、平台模型不同部位钢料的密度使其重量与重心位置和实际结构相符，具体调节过程见图4。不相符相符根据计算结果微调模型各部分的密度平台模型调平结束计算整个平台模型的重量与重心位置将平台有限元模型的重量与重心位置和实际值进行比较将整个平台有限元模型分为14块根据重量控制报告统计出平台各部分（14块）钢料的重量与重心位置调节平台模型各部分的钢料密度，使模型各部分的重量与统计值相符图1.4 NDB半潜式钻井平台船体钢料重量的调平流程图模型在垂向分为浮体、立柱舷台与甲板三部分，再按总体坐标系的原点将甲板与浮体分为4块，即14块分别为：甲板（艏部左舷、艏部右舷、艉部左舷与艉部右舷）、16号立柱舷台、浮体（艏部左
7、舷、艏部右舷、艉部左舷与艉部右舷）。有限元模型钢料的重量为钢材、涂层及焊料三部分重量之和。1.3平台固定设备与可变载荷重量的模拟对于平台的固定设备与可变载荷等，除了要考虑其重量外，还要考虑其重心位置以及平台有加速度时所产生的惯性力，所以通过在整个平台的有限元模型中对应的位置施加质量单元来实现对其重量和重心位置的模拟。该半潜平台的固定设备可以分为两部分：一部分为机器设备，这部分设备在平台上的分布位置较为明确，对于这部分设备，首先确定出其在有限元模型上的分布位置，然后通过施加质量单元来模拟其重量分布与重心位置；另一部分重量为管系、船体舾装件等，这部分设备在整个平台的分布位置非常分散，无法准确的找到
8、其对应的位置，对于这部分设备重量的处理方法是：首先将整个平台的模型分为14块，与前面钢料重量处理时的分块相同，然后统计出管系、舾装件等设备在这14个部位的分布重量与重心位置，最后根据统计结果将上各部位设备的重量通过质量单元分散加到平台模型的对应部位，并保证质量单元的重量与重心位置与统计值相符。1.4三种工况下整个平台的有限元模型三种工况下整个平台的重量可以分为两部分，即空船重量与可变载荷重量。其中空船重量又分为三部分：船体钢料的重量、重量较大的机器设备重量和管系、船体舾装件等具体分布位置不明确的固定设备的重量。整个平台的船体钢料有限元模型建立并调平后，先在其上施加模拟大质量机器设备重量的质量单
9、元，然后施加模拟管系、船体舾装件等设备重量的质量单元，这样可以得到空船的最终模型。在得到的空船最终模型上，分别施加三种工况下可变载荷的质量单元，得到三种工况下整个平台的最终模型。由于在施加质量单元时，尽可能保证了各项设备与可变载荷重量与重心位置的准确性，所以将所有质量单元施加完毕后，可以不对各工况下的模型再进行调平。表3.1 NDB半潜式钻井平台管系、舾装件等固定设备重量分布汇总总表平台部位类型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)主甲板艏部左舷合计202.29 22.25 8.55 24.68 艏部右舷合计207.07 21.20 -7.39 24.65 艉部左舷合计865.
10、04 -16.46 11.58 24.39 艉部右舷合计911.80 -8.96 -8.68 25.07 中间甲板艏部左舷合计218.92 29.36 8.04 28.47 艏部右舷合计176.54 32.41 -6.62 28.03 艉部左舷合计122.41 -18.38 13.10 25.97 艉部右舷合计287.80 -20.50 -10.65 27.39 上甲板艏部左舷合计99.88 23.93 11.30 28.24 艏部右舷合计92.74 31.28 -23.66 33.15 艉部左舷合计145.48 -21.40 6.45 32.70 艉部右舷合计188.73 -9.93 -10
11、.52 33.37 立柱合计590.55 8.81 0.38 18.44 浮体合计874.62 3.10 -0.44 2.81 表3.2 NDB半潜式钻井平台空船各分项的重量与重心位置项 目WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m)VCG(m)平台钢料（包括焊料和涂层）12196.898.210.6215.44大型机器设备4983.88-0.26-0.1721.39管系、舾装件等固定设备4819.51-2.14-0.6128.26合计22000.294.020.1719.59表3.3 NDB半潜式钻井平台管系、舾装件等固定设备重量分布汇总详表平台部位类型WEIGHT(t)LCG(m)TCG(m
12、)VCG(m)主甲板主甲板艏部左舷piping system28.62 37.65 17.12 24.65 piping support43.30 36.20 8.85 23.61 machinery30.05 16.59 21.39 25.53 hull outfitting24.32 37.07 5.64 23.77 ele0.00 0.00 0.00 0.00 accommodaton2.91 37.20 0.00 25.60 ducting8.94 39.00 8.51 26.99 insulation0.00 0.00 0.00 0.00 furniture0.00 0.00 0.0
13、0 0.00 main cable64.15 0.00 0.00 25.00 合计202.29 22.25 8.55 24.68 主甲板艏部右舷piping system83.04 36.20 -7.69 24.07 piping support16.85 22.66 -8.63 24.16 machinery30.05 16.59 -18.61 25.53 hull outfitting6.48 37.25 -16.64 24.07 ele0.00 0.00 0.00 0.00 accommodaton2.92 37.20 0.00 25.60 ducting3.58 42.96 -21.81 27.08 insulation0.00 0.00 0.00 0.00 furniture0.00 0.00 0.00 0.00 main cable64.15 0.00 0.00 25.00 合计207.07 21.20 -7.39 24.65 主甲板艉部左舷piping system171.79 -13.72 16.01 23.04 piping support72.84 -2.43 10.43 23.82 machinery30.05 -33.41 21.39 25.53 hull outfitting65.20 -7.69 9.19 19.12 ele461.01
