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摘要：本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件对其进行了静强度分析。以等效应力作为参数敏感性分析的性能指标，综合考虑了可变载荷、桁架腿间距、弦杆距离及水深等因素对桩腿性能指标的影响，进行了参数敏感性分析。对保证桩腿结构的安全性及桩腿结构优化具有重要意义，为自升式平台桁架式桩腿设计提供参考依据。
关键字：自升式海洋平台 桁架式 ANSYS 参数敏感性
中图分类号： TU323.4 文献标识码： A 文章编号：
1 绪论
作为海洋油气勘探开发的重要装备，自升式平台是目前发展最为迅速、应用最为广泛的移动式平台，主要由平台主体、桩腿、升降系统、作业装置等组成。平台在工作时利用升降系统将平台主体举升到海面以上，免受波浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底进行作业。完成任务后，平台主体下降到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位作业。
桩腿是自升式钻井平台的关键构件，有柱体式和桁架式两大类。柱体式桩腿由钢板焊接成封闭式结构，其断面有圆柱形和方箱形两种，一般用于作业水深60m以下的自升式平台。水深加大，波浪载荷更大，结构重量增大，宜采用桁架式桩腿。它由弦杆、水平撑杆和斜撑杆组成，在弦杆上装有齿条。桩腿可按地质条件需要设置桩靴，桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形几种。与壳体式桩腿相比，桁架腿不仅重量轻，而且可以有效降低波浪力作用，从而降低平台结构的位移和应力响应，是一种较为理想的桩腿型式。平台工作水深变化较大，桩腿结构柔性较大，在波浪等环境载荷的作用下会产生较大位移、应力响应。本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件，对其进行了静强度分析及性能参数敏感性分析。
2桁架式自升式平台桩腿腿强度分析
2.1 桁架腿结构
桁架腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受的载荷传递给海底地基。桁架腿是镂空式结构，由弦杆（含齿条）、水平撑杆及斜撑杆组成，截面形状多为三角形，桁架腿下部一般连接有桩靴或桩脚箱，通过它们坐在海底，如图1所示。
图1 桁架式桩腿示意图
桁架式桩腿型式有很多种，主要差别在于撑杆支撑形式的不同。常见的撑杆形式主要有三种：第一种是K型，这种型式比较传统，应用广泛，Friede & Goldman公司设计的Super M2系列自升式平台即采用此种型式。第二种是X型，这种型式结构简单，只设X型斜撑杆和水平内撑，而没有水平撑杆。GustoMSC公司设计的MSC CJ-70系列平台即采用X型撑杆杆。第三种是inv-K型，它采用两个K型对接的型式，减少了水平撑杆的设置。Friede & Goldman公司设计的JU2000E新型平台即采用此种型式。由于篇幅限制，本文以最为常见的K型桁架腿结构建模。
2.2 参数化建模
ANSYS软件的标准分析过程包括：建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析三个步骤。对于一个复杂工程结构而言，对模型进行手动修改将十分困难。为此，ANSYS软件提供了一种以命令流方式进行分析的功能，即ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果数据，从而实现参数化有限元分析的全过程。桁架腿分析过程中涉及到的弦杆、水平撑杆、水平内撑杆、斜撑、波浪、海流、深水等一系列参数，都可以用变量参数来表示，只要改变这些变量参数的赋值就能获得不同的设计方案的分析过程，大幅度提高分析效率。
2.3 模型抽象及简化
为了正确反映平台主要部分之间的相互作用，本文中采用一个完整的空间模型来表达整个船体结构。由于本文主要着眼于桁架腿的分析，模型对平台结构进行了简化。平台主体简化为一刚性空间结构，其主要尺寸与船体实际结构近似，去除了对桁架腿计算没有影响的构件，使桁架腿传递垂直力和水平力更直接明了。
桁架腿通过桩靴（或桩脚箱）与地基之间相互作用，桁架腿底端实际上既不是完全刚接，也不是铰接，而是介于两者之间的弹性支承，可根据插桩深度和桁架腿尺度确定。因自升式平台桩腿一般插入土中不深，按照规范中的规定，取海底以下3m处铰支计算。环境载荷中的波浪载荷和流载荷以及桩腿自重由ANSYS自动施加。
2.4 计算算例
(1) 计算参数
计算参数如表1所示。
表1
(2) 静力计算及结果分析
环境载荷横向、纵向和斜向作用时，桩腿等效应力计算结果如表2所示
表2
由于桩腿结构弦管采用ASTM A514（屈服强度609MPa），根据规范计算其许用应力为487Mpa，最大应力都没有超过许用应力范围。当波流斜向入射时，桩腿的应力最大，因此斜向入射工况为危险工况，是结构的控制工况。由以上计算结果可知，桁架腿构件强度满足要求，并有较大的储备，对其参数敏感性分析是可行且必要的。
3自升式平台桩腿性能参数敏感性分析
3.1 主要性能指标
最大应力分析目的是确保桩腿结构的强度足以支持最大设计载荷。在使最大应力保持在许用应力以下的同时，通过要求桩腿支持最大设计载荷，可实现这一目的。限制的目的是防止发生结构失效。因此，本文研究考虑把桩腿结构的等效应力作为桩腿分析的控制指标。
3.2 主要影响参数
由于海洋环境载荷的复杂性，影响桩腿性能的参数有很多。为了充分研究各个因素对于桩腿性能的贡献，选取了可能影响桩腿性能的主要因素进行桩腿参数敏感性分析，分别为水深、海流、可变载荷、桁架腿间距、弦杆距离等因素。
(1) 海流
对于海流，如果海流按流剖面的形状进行分类可以分为三角形流剖面、梯形流剖面和矩形流剖面。前两者统称为剪切流，后者称为一致流。本文以三角型流剖面作为假想的流剖面，并以海面处流速作为海流参数。
(2) 平台载荷
平台的固定载荷包括结构自重和设备载荷。平台可变载荷是指那些可以被消耗的、易于移动的、数量视工况不同而变化的重量，如各液舱的配载、平台作业时相关载荷、直升机降落对平台的冲击载荷、甲板吊机载荷、其他生活供应设备等。不同工况下平台可变载荷变化最大，因此本文以可变载荷作为敏感性分析参数。
(3) 其他参数
其他参数较多包括水深、桩腿间距、弦杆距离、节距、弦杆、外径壁厚（弦杆、水平横撑、水平内撑、斜撑），这些参数对桩腿结构强度影响较大，本文选取水深、弦杆距离、桩腿间距都作为敏感性分析的参数。
3.3 桩腿性能敏感性分析算例参数
(1) 桁架腿基本数据
桁架腿材料密度：7850 kg/m3;
桁架腿材料弹性模量：206.8Gpa
(2) 环境载荷数据
海水密度：1025 kg/m3
海流流速：0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s
(3) 水深范围
90m、105m、120m、135m
(4) 可变载荷
3500t、4000t、4500t、5000t
(5)桩腿间距
35m、40m、45m、50m、55m
(6) 桁架腿几何尺寸
弦杆距离：10m、11.5m、13m、14.5m
节距：3m
弦杆：Φ381mm×32mm
水平横撑杆：Φ219×22mm
水平内撑杆：Φ168×11mm
斜撑杆：Φ219×22mm
3.4参数敏感性分析
在不同影响参数变化的情况下桁架腿的弦杆、水平撑杆、水平内撑杆和斜撑杆的最大应力变化如图2所示。
(a) 弦杆最大应力变化 (b)水平撑杆最大应力变化
(c) 水平内撑杆最大应力变化 (d) 斜撑杆最大应力变化
图2 不同影响参数對桁架腿各结构的影响
从上图中可以看出，海流的变化对桩腿的强度影响最为灵敏，其次是水深、可变载荷和桩腿间距，弦杆距离对桁架腿桩腿强度影响较小。桩腿结构中，弦杆对桁架腿强度贡献最大，水平横撑杆及水平内撑杆对桩腿强度的贡献相对较小，这是因为弦杆是桩腿结构中主要竖向构建承受着平台主体自重并承受着来自水平方向的环境载荷。
4结论
(1) 通过参数敏感性分析表明，弦杆对桁架腿强度贡献最大，水平横撑杆及水平内撑杆对桩腿强度的贡献相对较小，桩腿设计时要着重考虑弦杆的设计。
(2) 基于参数化建模方法所建立的简化模型是基本合理的。其一次建模后，通过参数调整实现多个工况，多种结构几何尺寸重复计算，能有效提高计算效率，减少了重复建模的时间，具有实际工程意义。
参考文献
1. 孙东昌, 潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2008
2.蒙占斌. 自升式海洋平台整体结构强度的有限元分析[J].石油工程技术,2008(6):41-43,58
3.龚曙光,谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.1~106
关键字：自升式海洋平台 桁架式 ANSYS 参数敏感性
中图分类号： TU323.4 文献标识码： A 文章编号：
1 绪论
作为海洋油气勘探开发的重要装备，自升式平台是目前发展最为迅速、应用最为广泛的移动式平台，主要由平台主体、桩腿、升降系统、作业装置等组成。平台在工作时利用升降系统将平台主体举升到海面以上，免受波浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底进行作业。完成任务后，平台主体下降到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位作业。
桩腿是自升式钻井平台的关键构件，有柱体式和桁架式两大类。柱体式桩腿由钢板焊接成封闭式结构，其断面有圆柱形和方箱形两种，一般用于作业水深60m以下的自升式平台。水深加大，波浪载荷更大，结构重量增大，宜采用桁架式桩腿。它由弦杆、水平撑杆和斜撑杆组成，在弦杆上装有齿条。桩腿可按地质条件需要设置桩靴，桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形几种。与壳体式桩腿相比，桁架腿不仅重量轻，而且可以有效降低波浪力作用，从而降低平台结构的位移和应力响应，是一种较为理想的桩腿型式。平台工作水深变化较大，桩腿结构柔性较大，在波浪等环境载荷的作用下会产生较大位移、应力响应。本文以自升式平台桁架腿为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件，对其进行了静强度分析及性能参数敏感性分析。
2桁架式自升式平台桩腿腿强度分析
2.1 桁架腿结构
桁架腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受的载荷传递给海底地基。桁架腿是镂空式结构，由弦杆（含齿条）、水平撑杆及斜撑杆组成，截面形状多为三角形，桁架腿下部一般连接有桩靴或桩脚箱，通过它们坐在海底，如图1所示。
图1 桁架式桩腿示意图
桁架式桩腿型式有很多种，主要差别在于撑杆支撑形式的不同。常见的撑杆形式主要有三种：第一种是K型，这种型式比较传统，应用广泛，Friede & Goldman公司设计的Super M2系列自升式平台即采用此种型式。第二种是X型，这种型式结构简单，只设X型斜撑杆和水平内撑，而没有水平撑杆。GustoMSC公司设计的MSC CJ-70系列平台即采用X型撑杆杆。第三种是inv-K型，它采用两个K型对接的型式，减少了水平撑杆的设置。Friede & Goldman公司设计的JU2000E新型平台即采用此种型式。由于篇幅限制，本文以最为常见的K型桁架腿结构建模。
2.2 参数化建模
ANSYS软件的标准分析过程包括：建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析三个步骤。对于一个复杂工程结构而言，对模型进行手动修改将十分困难。为此，ANSYS软件提供了一种以命令流方式进行分析的功能，即ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果数据，从而实现参数化有限元分析的全过程。桁架腿分析过程中涉及到的弦杆、水平撑杆、水平内撑杆、斜撑、波浪、海流、深水等一系列参数，都可以用变量参数来表示，只要改变这些变量参数的赋值就能获得不同的设计方案的分析过程，大幅度提高分析效率。
2.3 模型抽象及简化
为了正确反映平台主要部分之间的相互作用，本文中采用一个完整的空间模型来表达整个船体结构。由于本文主要着眼于桁架腿的分析，模型对平台结构进行了简化。平台主体简化为一刚性空间结构，其主要尺寸与船体实际结构近似，去除了对桁架腿计算没有影响的构件，使桁架腿传递垂直力和水平力更直接明了。
桁架腿通过桩靴（或桩脚箱）与地基之间相互作用，桁架腿底端实际上既不是完全刚接，也不是铰接，而是介于两者之间的弹性支承，可根据插桩深度和桁架腿尺度确定。因自升式平台桩腿一般插入土中不深，按照规范中的规定，取海底以下3m处铰支计算。环境载荷中的波浪载荷和流载荷以及桩腿自重由ANSYS自动施加。
2.4 计算算例
(1) 计算参数
计算参数如表1所示。
表1
(2) 静力计算及结果分析
环境载荷横向、纵向和斜向作用时，桩腿等效应力计算结果如表2所示
表2
由于桩腿结构弦管采用ASTM A514（屈服强度609MPa），根据规范计算其许用应力为487Mpa，最大应力都没有超过许用应力范围。当波流斜向入射时，桩腿的应力最大，因此斜向入射工况为危险工况，是结构的控制工况。由以上计算结果可知，桁架腿构件强度满足要求，并有较大的储备，对其参数敏感性分析是可行且必要的。
3自升式平台桩腿性能参数敏感性分析
3.1 主要性能指标
最大应力分析目的是确保桩腿结构的强度足以支持最大设计载荷。在使最大应力保持在许用应力以下的同时，通过要求桩腿支持最大设计载荷，可实现这一目的。限制的目的是防止发生结构失效。因此，本文研究考虑把桩腿结构的等效应力作为桩腿分析的控制指标。
3.2 主要影响参数
由于海洋环境载荷的复杂性，影响桩腿性能的参数有很多。为了充分研究各个因素对于桩腿性能的贡献，选取了可能影响桩腿性能的主要因素进行桩腿参数敏感性分析，分别为水深、海流、可变载荷、桁架腿间距、弦杆距离等因素。
(1) 海流
对于海流，如果海流按流剖面的形状进行分类可以分为三角形流剖面、梯形流剖面和矩形流剖面。前两者统称为剪切流，后者称为一致流。本文以三角型流剖面作为假想的流剖面，并以海面处流速作为海流参数。
(2) 平台载荷
平台的固定载荷包括结构自重和设备载荷。平台可变载荷是指那些可以被消耗的、易于移动的、数量视工况不同而变化的重量，如各液舱的配载、平台作业时相关载荷、直升机降落对平台的冲击载荷、甲板吊机载荷、其他生活供应设备等。不同工况下平台可变载荷变化最大，因此本文以可变载荷作为敏感性分析参数。
(3) 其他参数
其他参数较多包括水深、桩腿间距、弦杆距离、节距、弦杆、外径壁厚（弦杆、水平横撑、水平内撑、斜撑），这些参数对桩腿结构强度影响较大，本文选取水深、弦杆距离、桩腿间距都作为敏感性分析的参数。
3.3 桩腿性能敏感性分析算例参数
(1) 桁架腿基本数据
桁架腿材料密度：7850 kg/m3;
桁架腿材料弹性模量：206.8Gpa
(2) 环境载荷数据
海水密度：1025 kg/m3
海流流速：0.5m/s、0.75m/s、1m/s、1.25m/s
(3) 水深范围
90m、105m、120m、135m
(4) 可变载荷
3500t、4000t、4500t、5000t
(5)桩腿间距
35m、40m、45m、50m、55m
(6) 桁架腿几何尺寸
弦杆距离：10m、11.5m、13m、14.5m
节距：3m
弦杆：Φ381mm×32mm
水平横撑杆：Φ219×22mm
水平内撑杆：Φ168×11mm
斜撑杆：Φ219×22mm
3.4参数敏感性分析
在不同影响参数变化的情况下桁架腿的弦杆、水平撑杆、水平内撑杆和斜撑杆的最大应力变化如图2所示。
(a) 弦杆最大应力变化 (b)水平撑杆最大应力变化
(c) 水平内撑杆最大应力变化 (d) 斜撑杆最大应力变化
图2 不同影响参数對桁架腿各结构的影响
从上图中可以看出，海流的变化对桩腿的强度影响最为灵敏，其次是水深、可变载荷和桩腿间距，弦杆距离对桁架腿桩腿强度影响较小。桩腿结构中，弦杆对桁架腿强度贡献最大，水平横撑杆及水平内撑杆对桩腿强度的贡献相对较小，这是因为弦杆是桩腿结构中主要竖向构建承受着平台主体自重并承受着来自水平方向的环境载荷。
4结论
(1) 通过参数敏感性分析表明，弦杆对桁架腿强度贡献最大，水平横撑杆及水平内撑杆对桩腿强度的贡献相对较小，桩腿设计时要着重考虑弦杆的设计。
(2) 基于参数化建模方法所建立的简化模型是基本合理的。其一次建模后，通过参数调整实现多个工况，多种结构几何尺寸重复计算，能有效提高计算效率，减少了重复建模的时间，具有实际工程意义。
参考文献
1. 孙东昌, 潘斌. 海洋自升式移动平台设计与研究[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2008
2.蒙占斌. 自升式海洋平台整体结构强度的有限元分析[J].石油工程技术,2008(6):41-43,58
3.龚曙光,谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.1~106