0 引　言

深海半潜式生活平台是提供给平台工程人员休息、娱乐和居住的主要设施，其主体结构需满足极端海况下的强度要求以保证平台安全和人员安全。通过校核和分析半潜式生活平台在极端海况下的结构强度，可针对性提出优化意见以及改善平台应力集中等问题，有效降低极端海况下半潜式生活平台发生海难的概率。

针对波浪载荷计算问题，Schløer等^[1]采用完全非线性模型研究了波浪载荷对半潜式平台的作用，其结果表明非线性波浪对极限载荷有重要影响。闫渤文等^[2]基于莫里森方法和势流理论提出了一种新型浮式平台基础的水动力性能优化方案，分析了该方案在不同波浪周期下的水动力响应参数，提高了该平台的耐波性和稳性，使之能适应更恶劣的波浪环境。肖福勤等^[3]基于势流理论利用SESAM软件对某漂浮式光伏电站方阵进行波浪载荷数值分析研究，获得了整体漂浮方阵的波浪载荷。Ravinthrakumar等^[4]基于大量统计数据，对160°～200°的航向角分布进行了分析，提出一种更合理的航向角分布方式。

针对结构强度计算问题，李宏源等^[5]运用SESAM软件对半潜式海洋平台进行结构强度分析，得到了甲板下各建筑物、立柱等应力及位移分布规律。李芳菲等^[6]使用Ansys软件，通过对半潜式海洋平台的风场和波浪场进行分析，运用随机风-波浪荷载模拟理论，分析了随机风波下的结构动力响应。薄景富等^[7]采用 Ansys建立对象平台的整体结构有限元模型，施加多组载荷组合工况下的波浪载荷、可变载荷以及固定载荷，进行屈服强度校核与屈曲强度校核。结果表明采用 AQWA 进行水动力建模与计算，结构建模与计算，以及进行半潜式平台的整体强度校核工作流程是可行的。

为了计算半潜生活平台主体结构强度并校核其是否符合规范要求，本文首先将半潜生活平台整体结构进行简化建模并导入到水动力建模软件中，再进行水动力求解，并进行设计波选取。然后重新计算水动力并将波浪载荷传递到结构模型后进行有限元求解分析得到应力，再使用后处理计算得到静水和动态合成工况下最大应力云图，将计算得到最大应力和规范规定的静态工况和合成工况的许用应力分别进行比较，并分析了计算结果，最后验证所有结构是否满足规范的强度要求。这对提高半潜生活平台的结构强度以及减少工程实际中应力集中产生都具有实际意义。

1 半潜生活平台波浪载荷与结构强度计算 1.1 半潜生活平台环境参数

半潜生活平台的工作位置为北大西洋(North Atlantic)，其100年一遇的有义波高为17.3 m，而平台周围海况可通过波浪谱予以描述。

本平台取用的波浪谱是JONSWAP（Joint North Sea Wave Project）谱，如参考文献[8]给出的公式为：

$ SJS(f) = \alpha H{S^2}{T^{ - 4}}{f^{ - 5}}\exp \left[ { - 1.25{{({T_P}f)}^{ - 4}}} \right]{\gamma ^{\exp \left[ { - \frac{{{{({T_P}f - 1)}^2}}}{{2{\sigma ^2}}}} \right]}}。$

(1)

式中： $\alpha \approx \dfrac{0.0624}{0.23\text{+}0.0336\gamma {-}0.185（1.9\text{+}\gamma {）}^{{-}1}} $ ； $f \leqslant \dfrac{1}{{{T_P}}}$ 时 $\sigma = 0.07$ ； $f＞\dfrac{1}{{T}_{P}}$ 时 $\sigma = 0.09$ ； $\gamma $ 为谱峰升高因子 $(1 \leqslant \gamma \leqslant 7)$ ； $ {T_p} $ 为谱峰周期。

1.2 短期预报与设计波计算

对于极端响应分析，根据挪威船级社半潜平台相关设计规范DNVGL-RP-C103（以下简称DNV规范）仅需考虑包含极高或极陡波的海况^[9]。采用随机波法提供用于短期响应计算的波浪分布。为满足反应同时性的要求，柱稳定单元的最大应力分析通常采用设计波法。其中，设计波参数的评估方法如图1所示。

1.3 结构强度计算结果分析

根据规范参与结构分析的平台主体框架结构构件，应按以下规定确定其许用应力值：

$ \left[ \sigma \right] = \sigma S/S。$

(2)

式中： $\sigma S$ 为材料的屈服强度， ${\text{N/m}}{{\text{m}}^{\text{2}}}$ ； $S$ 为安全系数，静载工况取1.43，组合工况取1.11。

2 半潜生活平台规范设计 2.1 半潜生活平台主尺度

在进行结构的波浪载荷和结构强度计算之前，需对设计的半潜式平台结构按照根据《海上移动平台入级规范2020》(以下简称规范)进行规范设计的初步计算^[9-10]。平台的主要构件根据规范有关结构尺寸的要求进行设计，同时也参考了DNV规范。

该平台具体参数见表1。其定位方式为10点及以上系泊和DP3动力定位。

2.2 结构尺寸汇总

平台外边界构件尺寸按规范中柱稳式平台外边界进行计算，构件尺寸为规范要求最小结构尺寸，其强度还应满足平台总体强度要求。计算结果如表2所示。

3 半潜生活平台设计波选取与短期预报 3.1 平台水动力模型

使用有限元软件Sesam的Genie模块可对该半潜生活平台进行建模。在建立该半潜式平台边界元模型时，以m为建模单位，以纵向为x轴，从尾至首方向为正；y轴沿水平向左舷方向为正；z轴沿垂向、竖直向上为正。所建立的横撑莫里森模型、平台湿表面模型、平台主体模型分别如图2～图4所示。

3.2 幅值响应系数(RAO)

浮体的运动特性通常用幅值响应系数(Response Amplitude Operaters，RAO)来描述，表示浮体在单位波幅波浪作用下结构的运动响应。该平台的RAO计算结果如图5和图6所示。

3.3 短期预报与设计波计算

设计波数据由最大波高以及最大波陡度表示。选择对要研究的结构或结构部件最关键的波长。

具体设计波表格如表3所示。经检验所有计算得到的设计波最大波幅值，均小于对应DNV规范中规定的对其最大响应幅值的极限值，即符合设计要求。

4 半潜生活平台结构强度计算与分析 4.1 半潜生活平台结构几何模型与有限元结构模型

模块的几何模型如图7所示。

半潜式生活平台模型主要由5大部分组成：甲板盒、中间立柱，下部浮筒，生活区和横撑。甲板盒下面设置4个立柱，每个立柱的横截面尺寸为7 m×7 m。网格大小控制在2.5～3 m之间。最终模型所含单元数为108998，节点数为47369。

整个模型的有限元网格如图8所示，部分局部结构的有限元模型如图9所示。

4.2 设定半潜生活平台配重、材料、边界条件

在进行结构总体强度分析之前，必须对其进行重量调整，如表4所示。经过重量调整后，模型重量调整为29734.89 t，其中考虑了10%的裕度。不考虑裕度的总重量为27031.72 t。

结构重量主要通过模型缩放密度的方法来调整，较大设备的重量以及甲板载荷通过质量点来模拟，质量点和结构通过刚性单元连接，如图10所示。

平台建造钢材选用屈服强度为355 MPa的高强钢。本文的结构模型在浮筒底部设置约束，约束条件和位置如图11所示。

4.3 半潜生活平台结构计算工况设置与计算结果分析 4.3.1 结构计算工况设置

半潜平台一般计算工况有自存工况、操作工况以及拖航工况，其中对结构影响最大的是自存工况，该工况下具体参数见表5。

考虑到自存工况是所有工况中最危险的工况，相比其他操作工控，其环境条件更为恶劣，所产生的应力一般最大，因此本文只考虑自存工况。而舱室装载考虑一种极端装载工况，同时甲板上考虑2 000 t甲板载荷。

4.3.2 结构强度计算结果分析

对静水作业工况(以下简称静水工况）下平台主体结构应力和变形以及动态合成作业工况(以下简称动态工况)下应力进行计算，部分计算结果如图12所示。

该平台静态工况的许用应力计算情况如表6所示，其动工况的许用应力计算情况如表7所示。动态工况下屈服强度取355 MPa，安全系数取1.11，静水工况下屈服强度取355 MPa，安全系数取1.43。结果表明各工况下的许用应力均小于规范中要求的许用应力值，全部满足规范要求。

根据计算结果表明，本半潜生活平台结构在各种工况下的应力水平均小于许用应力，并且强度储备合理，本半潜生活平台设计满足设计要求。

5 结　语

本文以某半潜式生活平台为研究对象，基于设计波法对平台主体结构强度进行计算和分析，得到静水和动态合成工况下平台的应力和变形评估结果。经过分析得出下列结论：

1）整个平台结构最大应力出现在立柱外板与上壳体连接处附近，造成这个结果的原因是此处为板与上壳体连接处又是立柱平面角隅处，设计时应特别关注该处的结构优化避免应力集中。

2）在静水工况下可看到整个平台结构的最大应力出现在甲板盒左侧侧壁附近，最大变形发生在浮筒的侧面。最大变形发生在浮筒侧面的原因：一是此工况下浮筒侧面和底面本就承受较大水压力；二是在创建模型时，用质量点来代替实际情况下的压载，而质量点的位置选取在浮筒底面，浮力和压载力方向相反而部分抵消，因此浮筒底面的变形较小，而在模型中没有给浮筒侧面模拟真实情况下压载水的侧压力，所以侧面变形较大。

3）静水工况下，立柱内侧与甲板盒交汇角隅处的应力明显偏大，需对该处结构进行进一步的加固优化。

4）静水工况下，甲板盒4根立柱部分对应应力偏大，而动态工况下，甲板盒底板纵向中段部分应力以及主机座对应位置结构应力偏大，可对甲板盒底板进行厚度调整，也可对主机座对应区域进行局部加强。

5）浮筒下表面应力最大值大于浮筒上表面，而浮筒下表面大部分中段区域应力明显大于两端，而浮筒上表面应力分布较均匀，而浮筒应力最大处也在浮筒中段内部，故应加固浮筒中段结构以保证浮筒强度。