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隨著科技、經(jīng)濟和社會的發(fā)展，海洋石油、天然氣勘探開發(fā)和海上風(fēng)能利用日益受到關(guān)注，海洋能源利用正由近海淺水區(qū)域向更復(fù)雜、危險的深海區(qū)域發(fā)展，并逐漸形成投資高、風(fēng)險大、高新技術(shù)密集的能源工業(yè)新領(lǐng)域，也帶動了海洋移動式平臺迅速發(fā)展。
自升式平臺是指具有活動樁腿，且其主船體能沿支撐于海底的樁腿升至海面以上預(yù)定高度進行作業(yè)的平臺，此種平臺在海洋開發(fā)中被廣泛應(yīng)用，整個平臺的穩(wěn)定性取決于其樁腿和樁靴的幾何形狀和結(jié)構(gòu)形式，它克服了漂浮式工程船工作不穩(wěn)定的缺點，海上作業(yè)時，樁腿站立于海底，依靠樁靴來承擔(dān)海底對平臺的支撐力，船體升到水面以上，在甲板上作業(yè)非常平穩(wěn)。
目前，樁靴結(jié)構(gòu)有限元分析計算主要使用的軟件是ANSYS和PATRAN，本文采用SACS軟件主要是因為要與樁腿強度計算保持一致，并驗證SACS軟件用于樁靴結(jié)構(gòu)有限元強度分析的可行性。在DNV規(guī)范中對樁靴局部結(jié)構(gòu)有最小板厚要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計要同時滿足規(guī)范要求和有限元強度計算要求，所以先進行規(guī)范計算，確定滿足要求后再進行有限元計算。根據(jù)規(guī)范要求共計算四種工況，并分析了影響因素和計算方法。
樁靴的幾何形狀是根據(jù)海底和平臺自身的情況而設(shè)計，隨建造要求而變。計算模型如圖所示，底部為棱錐形，在水平面的投影為矩形，最底端帶有錐點，用于降低在淺樁靴插人情況下(在沙土或非常硬的粘土中)平臺結(jié)構(gòu)滑移的風(fēng)險。樁腿材料：NVE690a樁靴材料板厚小于50mm，采用NVD36；板厚大于等于50mm，采用NVE36a 有限元建模分析使用SACS 5.3軟件，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行了適當(dāng)簡化，省略了加強筋、面板和肘板，主要是為了計算趨于安全。單元采用四邊形單元和三角形單元，并且盡可能的使用長寬比相等的四邊形單元，保持所有單元尺寸基本相等，避免出現(xiàn)細長形單元。樁靴內(nèi)部結(jié)構(gòu)和單元劃分如圖2所示。設(shè)計首先應(yīng)該滿足規(guī)范關(guān)于樁靴結(jié)構(gòu)的最小板厚要求，因為只有外板的設(shè)計壓強值是已知的，所以只能校核外底板及其加強筋的強度。由公式計算出樁靴板厚要求的最小值(計算中考慮海水腐蝕余量)，用于校核設(shè)計是否滿足要求，校核結(jié)果如表所示，與板厚校核類似，應(yīng)用有限元軟件SACS 5.3計算樁靴所有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值。
樁靴外底板強結(jié)構(gòu)處的單元節(jié)點設(shè)置為彈簧約束，彈簧強度的設(shè)置參考插靴深度，使變形在合理范圍內(nèi)，為防止模型在水平方向發(fā)生位移，在水平方向也應(yīng)設(shè)置彈簧約束。也可采用另一種約束方法，設(shè)置樁腿邊界為剛性固定，兩種設(shè)置方法計算結(jié)果基本相同，環(huán)境載荷已在樁腿受力計算中考慮。
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