1 主要分析流程

用SACS进行半潜平台组块在位强度分析的主要难点是如何简化船体的模型，并合理恢复船体所受到的环境载荷。由于设计波法用于半潜平台设计已经有很多先例，是一种成熟的做法。因此采用AQWA对半潜平台进行整体性能分析，得出影响半潜平台主要敏感的设计波，并求出在每个设计波下船体单元所受到的波压力以及整体结构受到的加速度。在SACS中对船体模型进行合理的简化，将船体单元AQWA受到的波压力进行荷载传递，传递到SACS的杆件节点上，同时恢复对应的整体结构加速度，就得到了SACS模型中整个带环境载荷的模型，为进行杆件校核提供了基础。整体的流程主要参见图1 SACS用于半潜平台分析流程^{[1 – 2]}。

2 模型的简化以及等效

SACS的主要目的是进行上部组块的强度校核，为了将船体所受到的波浪力进行恢复，同时为了进一步简化计算，需要将船体结构进行简化，简化的原则是满足环境力的恢复和不影响计算结果。基于这2个原则，在SACS中通过BEAM单元来模拟船体。为了不影响组块与船体之间的计算结果，水面以上部分船体安装船体的实际模型建模，如图2和图3所示。

为了使简化更合理，简化的beam杆件需要尽可能与船体刚度一致，在SACS中需要计算得出Hull的8个参数：

Z dimension：Z向尺度，

Y dimension：Z向尺度，

Y shear area：Y剪切面积，

Z shear area：Z剪切面积，

Axial area：轴向面积 所有截面面积之和，

Torsional moment of inertia：扭转惯性矩，

Moment of inertia about Y：I_yy Y轴惯性矩，

Moment of inertia about Z：I_zz Z轴惯性矩。

其中Z，Y的尺度为column的尺度，这里取21 m。Y和Z的剪切面积分别每个方向的剪切面积，按照船体的结构图，由于船体上有很多bulb板，因此只需要简化考虑剪切面积，Y向剪切面积只考虑沿着Y向布置的板面积，Z向剪切面积只考虑沿着Z向布置的板面积，如图4所示。

扭转惯性矩的计算，由于column的结构非常复杂，但是在计算扭转刚度时只需要计算2个最大闭环的扭转刚度，其他闭环的影响刚度较小，如图5所示。

Side plate 1：L = 21 000 mm，THK = 12mm。

Side plate 2：L = 17 400 mm，THK = 12 mm。

$ \begin{aligned} J=& \sum{\frac{4{{A}_{E}}^{2}t}{p}}=\frac{4\times {{\left( 21\ 000+6+6 \right)}^{4}}\times 12}{21\ 012\times 4}+\\ & \frac{4\times {{\left( 17\ 400+6+6 \right)}^{4}}\times 12}{17\ 412\times 4}=1.746\ 7{{E}^{14}}{{\rm mm}^{4}}{\text{。}} \end{aligned} $

I_yy，I_zz惯性矩的计算，可以通过简单力学公式或AUTOCAD画出的船体结构的闭合区域，可以方便地求出截面的惯性矩。

通过这些相关参数的求取，可以使得beam杆件基本具备船体截面的力学性能，不至于影响上部结构的强度校核。

3 载荷的施加 3.1 环境载荷

在AQWA模型中，船体单元是面单元，如图6所示，环境载荷是每个单元上的面压力。在SACS模型中由于水面以下的单元模拟为beam单元，需要将面单元上的压力转换到杆件短点的集中力，其原理如图7所示。将AQWA模型中每个单元的面压力f₁，f₂等找到SACS中对应beam单元最近的点，所有单元合理汇总到节点上得出合理F，同时若有微小的距离则会产生弯矩M。对应所有AQWA单元的所有面压力汇总到beam单元的节点上之后，所有的环境力荷载则完整的传递到SACS模型中，但此时传递到SACS模型中的所有环境力只是带了相位的一个时刻的每个单元所受到的环境力，在SACS环境文件中在每隔30°相位进行1个工况计算，即360°相位分为12个工况计算，则涵盖一个波浪完整周期通过浮体每个单元的情况，保证了每一个单元所受到的环境力都能取到峰值^{[3 – 5]}。

在传递了环境面压力的同时，还需要把整体结构的运动也模拟在SACS模型中。在AQWA计算中，在输出每个单元的面压力的同时，也会输出不同设计波不同浪向对整体模型重心处参数的加速度，表1为不同波浪入射方向的整体加速度。整体加速度加在模型的重心处（COG），如图8所示。

由于在频域分析中和时域分析中加速度存在部分差异，如果时域分析中的加速度比频域分析的加速度要大，需要在SACS的计算模型中补充两者加速度的差值，保证组块所受到的加速度是较大值。

3.2 船体相关载荷

为了保证整个系统的重量分布一致，在船体模型简化完成之后，船体相关的质量也需要恢复。

压载水的质量：需要根据船体实际的压载舱的布置以及压载水的量来施加压载水的质量。

存储物质量：在船舱中，除了压载水，通常还存储其他物质。在计算的过程中也需要根据实际情况考虑相关的重量。本计算考虑的重量主要包括凝析油、污油水、淡水、柴油等的质量。

船体的质量：由于船体模型是通过BEAM杆件简化模拟的，因此船体的质量也需要考虑，通常将beam杆件的密度设为0，同时按照船体的质量分布情况将船体质量相应的分配到各个点上，保证最终的重量重心与原来的一致。

系泊和立管的质量：系泊缆和立管的质量也需要加在对应的位置。

3.3 组块荷载

组块的荷载与固定式平台的组块的荷载一致，通常包括机械、配管、活荷载等、未模拟的附属结构荷载等，依据实际情况，总图的布置施加相应的荷载。为了取保计算的保守性也防止项目后期有变更，通常最后会施加一项相对合理的余量。通常为了计算方便，最后可以将不同的荷载按照功能需求的不同组合，本实例组块荷载如表2所示。

4 SACS的计算流程 4.1 分析工况

本项目在位分析选取2种工况进行分析。

1）1-Year Cyclone：1年的飓风工况，操作工况。

2）100-Year Cyclone：100年的飓风工况，极端环境工况。

按照API RP 2A的要求，极端环境工况杆件的需用应力可以放大1/3^[6]。

4.2 边界条件

组块合拢达到在位条件的过程如下：首先组块通过吊装在乌内与船体合拢，如图9所示。组块的主腿通过插尖导向与船体合拢（插尖见图10），辅助腿直接坐在船体立柱顶部。组块与船体对接完成并完成焊接之后吊装火炬臂（见图11），完成火炬臂的焊接，将半潜平台拖到现场，安装锚链（见图12），达到在位条件。

达到在位条件之后，整个系统的边界通过弹簧模拟。

由于SACS的校核是线性叠加，按照组块的实际合拢达到在位的过程，计算可以分为3步。

步骤1：计算船体与组块的初始干重产生的应力；

步骤2：计算安装火炬臂对结构产生的应力；

步骤3：计算环境力和设备操作重产生的应力；

最后将三者的应力叠加得到结构的总体应力情况。

由于在3步计算过程中，前两步是合拢安装过程，局部的边界条件不一样，步骤1～步骤3时的局部边界说明如表3～表5所示。

4.3 校核结果

通过如上分析，在SACS里对组块杆件以及节点进行规范校核。一年一遇操作工况校核结果如图13所示。百年一遇极端工况校核结果如图14所示。其中百年一遇极端环境条件情况下安装API RP 2A规范要求，需要应力可以放大1/3。从计算结果可以看出，所有结构梁杆件的UC值均小于1，满足规范要求。

5 结　语

本文通过AQWA和SACS相结合，通过AQWA计算半潜平台所受到的环境力，在SACS中对半潜平台进行模型简化，并将环境力进行载荷传递到SACS模型中，在SACS模型中施加适当的相位，将环境力的大小以及其随着波浪周期的变化完全恢复到模型中，使得在SACS中校核组块杆件成为可能。充分应用了SACS软件集成行业规范的优点，为半潜平台组块结构强度校核提供了一种方法，提高了设计工作者的效率。同时，在SACS中计算杆件强度时依据实际的组块建造合拢过程，进行了分步计算，使得计算结果更为合理。