﻿ 自升式平台悬臂梁及相关结构设计研究
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 应用科技  2017, Vol. 44 Issue (5): 5-11  DOI: 10.11991/yykj.201608009 0

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LIU Xudong, XU Yao, XIA Guangyin. Design of cantilever beam at jack-up platform and related structures[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(5), 5-11. DOI: 10.11991/yykj.201608009.

### 文章历史

1. 烟台中集来福士海洋工程有限公司, 山东 烟台 264000;
2. 中集海洋工程研究限有限公司, 山东 烟台 264670

Design of cantilever beam at jack-up platform and related structures
LIU Xudong1, XU Yao1, XIA Guangyin2
1. Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd., Yantai 264000, China;
2. CIMC Offshore Engineering Institute Co, Ltd., Yantai 264670, China
Abstract: In order to reduce the period of cantilever beam design and calculate its strength in a short time, the structural characteristics and the working status of cantilever beam at jack-up platform were analyzed firstly, then the strength of cantilever beam was evaluated by numerical model and finite element method. And then the structure design was analyzed by the finite element method according to the international classification society code, thereby the safety and reliability of the structure of cantilever beam was ascertained.
Key words: jack-up platform    cantilever beam structure modality    cantilever beam strength evaluation    cantilever beam mechanics research    hanging out distance    storm survive    hook load    drilling load

1 悬臂梁结构特点

 图 1 悬臂梁钻台截面建造实体图

2 悬臂梁载荷评估

 图 2 悬臂梁计算坐标系
2.1 风载荷作用

 ${{\mathit{F}}_{\rm{W}}}\rm{=}\sum{{{\mathit{C}}_{\mathit{hi}}}{{\mathit{C}}_{\mathit{si}}}{{\mathit{S}}_{\mathit{i}}}\mathit{P}}\rm{ }\!\!~\!\!\rm{ }$ (1)

 ${{\mathit{M}}_{\rm{W}}}\rm{=}\sum{{{\mathit{C}}_{\mathit{hi}}}{{\mathit{C}}_{\mathit{si}}}{{\mathit{S}}_{\mathit{i}}}{{\mathit{Z}}_{\mathit{i}}}\mathit{P}}$ (2)

2.2 钻井载荷作用

 \begin{align} & \ \ \ {{\mathit{Q}}_{\mathit{H}}}\rm{=}\frac{\mathit{y}\rm{+}\mathit{b}}{\rm{2}\mathit{b}}\mathit{H} \\ & {{\mathit{M}}_{\mathit{H}}}\rm{=}\frac{\left( \mathit{y}\rm{+}\mathit{b} \right)\mathit{x}}{\rm{2}\mathit{b}}\mathit{H} \\ \end{align}

2.3 钻台重量作用

 $\begin{array}{l} \;\;{Q_D}{\rm{ = }}\frac{{y'{\rm{ + }}b}}{{{\rm{2}}b}}{G_D}\\ {M_D}{\rm{ = }}\frac{{\left( {y'{\rm{ + }}b} \right)\mathit{x'}}}{{{\rm{2}}b}}{G_D} \end{array}$
2.4 横向轨道及悬臂梁自重作用

 \begin{align} & \ \ \ {{\mathit{Q}}_{\mathit{C}}}\rm{=}{{\mathit{G}}_{\mathit{T}}}\rm{+}\mathit{\rho }\left( \mathit{x}\rm{+}\mathit{d} \right) \\ & {{\mathit{M}}_{\mathit{C}}}\rm{=}{{\mathit{G}}_{\mathit{T}}}\mathit{x}\rm{+}\frac{1}{2}\mathit{\rho }\left( \mathit{x}\rm{+}\mathit{d} \right){{\rm{ }\!\!~\!\!\rm{ }}^{\rm{2}}} \\ \end{align}
3 悬臂梁力学分析 3.1 结构信息

 图 3 悬臂梁结构设计图
3.2 载荷信息

 图 4 钻台位置示意

3.3 有限元方法评估

 图 5 悬臂梁结构板厚划分

 图 6 钻台偏移-15 ft悬臂梁加载形式
3.4 计算结果

 ${{\mathit{\sigma }}_{\mathit{eqv}}}\rm{=}\sqrt{\mathit{\sigma }_{\mathit{x}}^{2}\rm{+}\mathit{\sigma }_{\mathit{y}}^{2}\rm{-}{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{x}}}{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{y}}}\rm{+}\mathit{\tau }_{\mathit{xy}}^{2}\rm{3}}$ (3)

4 悬臂梁结构优化 4.1 数学模型法

 图 7 悬臂梁分段简易图

 图 8 悬臂梁截面属性图

 图 9 悬臂梁力学结构
 图 10 悬臂梁理论模型简化
 图 11 悬臂梁设计尺寸示意

 图 12 悬臂梁剪力、弯矩及变形图

 图 13 调整后结构板厚划分图
4.2 结构优化评估

 图 14 最大应力图谱
5 结论

1) 文中进行了自升式平台悬臂梁工作方式的研究和对悬臂梁力学公式的推导，用有限元方法对悬臂梁结构进行了强度校核。

2) 利用数学模型法快速准确地对悬臂梁大应力区域定位，通过调整截面属性，优化了悬臂梁结构。

3) 再次利用有限元模型提取了结构的应力云图，参照美国船级社规范要求，完成了悬臂梁结构的优化设计及校核的规律性研究，确定了悬臂梁结构的安全可靠性设计。

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