
随着海上油气工业的开发和发展,海洋平台日益受到世界各海洋石油生产商的关注。半潜式平台作为一种重要的移动式平台,具有移动性能良好,受波浪影响小,工作水深大等特点,从上世纪70年代以来得到广泛应用。半潜式平台的主体和浮体一般是由大量加筋板结构组成,这类加筋板构件在载荷作用下可能有多种破坏模式,Hughes把加筋板极限破坏模式归为三种:加强筋翼板失效、带板压缩失效及加强筋翼板与带板同时失效。由于焊接等因素,加筋板往往存在初始挠度和残余应力。在平台总弯曲作用过程中,一部分加筋板受拉伸作用,另一部分受轴向压缩作用。在极端情况下,部分受拉的加筋板可能发生屈服,或者部分受压的加筋板发生屈曲,因而导致平台总体破坏,即平台结构达到极限状态。一般,一座平台结构的极限强度可用横剖面的极限弯矩表示。通过实例计算平台浮体和整体的极限弯矩,对半潜式平台的极限强度进行有限元分析,同时针对平台立柱与支撑相交的管节点容易破坏的特点,运用有限元软件MSC/MARC对典型的管节点进行极限分析,得出相关结构特征参数,为下一步平台结构的安全性评价提供可靠依据。
结构达到极限状态是一个十分复杂的非线性过程,较准确的计算应该是采用结构非线性方法。介绍了当前船舶极限强度较具代表性的计算方法,平台与船舶在结构上相似,都可看成由大量加筋板组成的箱形结构。因此本文在计算平台极限强度时引人在船舶领域常用的简化逐步破坏分析法。该方法是Smiht提出的一种简化计算方法,适用于分析船体梁受到纵向弯曲后船体剖面的逐步破坏过程。
平断面假定,即平台横截面在曲率改变前后均保持为平面,这样就可以保证横截面上的应变沿深度方向线性分析;假定平台横框架足够强,在极限状态下横框架能够保持完好,截面的崩溃发生于相邻框架间,即只有横框架之间的加筋板破坏;平台整体失稳应力高于框架间的梁、柱崩溃应力;加强筋的侧倾应力也高于框架间的崩溃应力。
划分单元:将平台中剖面离散成一系列加筋板单元和拐角单元(硬角单元),其中加筋板单元由一根加强筋和带板组成;初始化平台整体曲率,认为瞬时弹性中和轴即为有效面弹性中和轴,计算当前每个单元相应的应变,建立整体截面的力平衡方程,更新力的差值计算,满足下式,迭代即完成。将当前曲率计算的总体弯矩与前一次的弯矩比较,判断是否达到极限弯矩值;如果弯矩一曲率关系曲线的斜率为零或为负值,则结束计算,得到极限弯矩M;否则,返回,按初始曲率的10写逐次增加,重新计算。
本文采用简化方法计算得到加筋板单元的应力一应变关系。对受拉加筋板,假定材料符合理想弹一塑性,平均应力一应变曲线分为稳定区和承载不变区两个区域。稳定区属弹性阶段,应力一应变关系服从虎克定律;承载不变区属达到塑性阶段,加筋板的强度值保持为屈服应力。对于受压加筋板,平均应力一应变曲线分为三个区域:稳定区,承载不变区和卸载区。稳定区表示载达到极限强度前,应力一应变关系服从虎克定律;承载不变区表示达到极限强度时,加筋板开始形成塑性铰,在塑性铰形成过程中压缩应变增加而加筋板承载力不变;卸载区表示完全形成塑性铰后,加筋板承载力随压缩应变增加而下降。
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