锚机基座设计及强度研究
摘 要摘 要锚机基座是船舶锚泊设备的重要组成部分，锚机安装在基座上，由于锚机承受着复杂的载荷作用，所以对于锚机基座的强度有着特别高的要求。本文的研究目的是在特定的船型、锚机型号、指定的环境载荷下依照ABS规范要求做一个实例的锚机基座设计，并对该基座进行强度校核来确认是否符合规范要求。针对上述要求，本课题采用对自升式平台艏部的两个锚机，以及艉部的四个锚机进行基座结构设计，使用合理的结构连接型式，选择合适的钢材、板材来确保基座设计一方面满足设计载荷的要求，另一方面不会过度超重而导致结构笨重。本课题使用FEMAP有限元软件来对所设计的基座建立实体模型并进行强度分析，之后再与ABS规范进行比对来总结出所设计的基座是否满足强度要求，本文的末尾也会相应的总结出锚机基座设计的相关要点以便将来对特殊受力部位进行设计。关键词：锚机基座；结构设计；强度分析 目 录
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 自升式平台主要技术 1
1.1.2 自升式平台主要发展趋势 2
1.2 研究背景 4
1.3 锚机基座设计现状以及存在的问题 4
1.4 本文的主要内容 4
第二章 锚机基座相关介绍及设计流程 6
2.1 锚机及锚机基座 6
2.2 锚机基座设计简要流程 8
第三章 FEMAP及有限元分析 9
3.1 FEMAP相关介绍 9
3.2 有限元分析及有限元法 10
第四章 艏部锚机基座设计及强度计算 14
4.1 设计标准 14
4.1.1 规范和标准 14
4.1.2 许用应力 14
4.2 模型概述 15
4.2.1 AUTOCAD中艏部模型相关描述 15
4.2.2 有限元分析中的模型坐标系 15
4.2.3 有限元分析模型中的单位系统和要素类型 15
4.2.4 结构模型范围 16
4.2.5 一些尺寸和材料 16
4.3 边界条件 19
4.4 设计载荷 21
4.4.1 结构自重 21
4
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
1 AUTOCAD中艏部模型相关描述 15
4.2.2 有限元分析中的模型坐标系 15
4.2.3 有限元分析模型中的单位系统和要素类型 15
4.2.4 结构模型范围 16
4.2.5 一些尺寸和材料 16
4.3 边界条件 19
4.4 设计载荷 21
4.4.1 结构自重 21
4.4.2 甲板活动载荷 21
4.4.3 设备载荷 21
4.4.4 惯性载荷 22
4.5 荷载工况 22
4.6 分析结果 24
4.7 结论 25
第五章 艉部锚机基座设计及强度计算 26
5.1 设计标准 26
5.1.1 规范和标准 26
5.1.2 许用应力 26
5.2 模型概述 27
5.2.1 AUTOCAD中艉部模型的相关描述 27
5.2.2 有限元分析中的模型坐标系 27
5.2.3 有限元分析模型中的单位系统和要素类型 27
5.2.4 结构模型范围 28
5.2.5 一些结构的材料和尺寸 28
5.3 边界条件 32
5.4 设计载荷 33
5.4.1 结构自重 33
5.4.2 甲板活动载荷 33
5.4.3 设备载荷 33
5.4.4 惯性载荷 33
5.5 荷载工况 34
5.6 分析结果 36
5.7 结论 37
结 语 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
附录A 艏部输出结果云图 41
附录B 艉部输出结果云图 49
第一章 绪论
1.1 概述
1.1.1 自升式平台主要技术
海洋平台是为在海上实施钻井、采油、观测、施工等作业提供生产与生活设施的构筑物。平台按照结构与工作状态的差异可以分为固定式、移动式和半固定式三个大类。其中的活动式平台又细分为着底式与浮动式，自升式平台便是属于浮动式平台，它是由一个驳船式的船体和若干个能升降并且可以支撑整体结构的桩腿组成，平台的船体拥有足够的浮力来运输钻井设备和补给到达指定的工作地点。在作业时，桩腿支撑起整个结构并将主船体提升至海面以上。平台转移时，将桩腿拔起，主船体下沉浮在海面上，就可以托运至另外一个地点进行作业。
自升式平台也可细分成插桩和沉垫两种。插桩自升式就是利用桩腿插入海底来进行升降操作；沉垫自升式是在桩腿下设置桩靴或者独立的小沉垫来支撑起桩腿结构。自升升降结构有液压式和齿轮啮合式两种，但一般情况下采用齿轮式升降。
目前，世界上的自升式钻井平台相关的主要技术有：平台船体设计技术、悬臂梁技术、桩腿技术、提升作业水深等各个方面的技术，现在分别介绍如下：
1.悬臂梁技术
自升式钻井平台的钻台已经从使用初期的槽口式发展到如今的悬臂梁式，这种进步大大提高了自升平台的钻井效率。目前悬臂梁已进一步发展为可脱离式悬臂梁。即悬臂梁可伸出钻井船体的艉部，移动至导管架平台，之后脱离自升钻井平台，最后定位到导管架平台的顶部来进行钻井作业。这一项技术使自升式钻井平台能够在风暴情况下，更加高效和安全地进行钻井作业。例如MSC公司研发的X—Y悬臂梁，平台的钻台维持在悬臂梁中心，由滚动式支座来实现整体沿横向与纵向的移动，钻台两侧的主梁承受相等的荷载，最大悬吊27.4米。在悬臂梁悬吊27.1米及可移动范围内，具有分布均匀的1,400吨可变荷载。
此外，荷兰的Huisman公司还研发出旋转型悬臂梁，该悬臂梁通过径向与环向的滑轨来实现移动，有着与X—Y悬臂梁相类似的在可移动范围内分布均匀的可变载荷，由于目前型号中的旋转型悬臂梁的可变荷载没有X—Y悬臂梁大，但是旋转型悬臂梁能够在主甲板上抬高，可以有效增加甲板的可利用面积。
2.平台船体设计技术
自升式平台的船体采用模块化的施工与设计，加大甲板的主尺寸与作业面积，增大可变载荷并增强钻井物资储放能力，延长在恶劣海域作业的自持力。该设计将平台的生活区移到船艏，使用挑出式和包络式的设计，既减少悬臂梁在钻井作业中发生事故时，对所有船员造成的伤害，也能够腾出甲板的中部空间来给作业堆料。另一方面，悬臂梁在悬挑作业时，会将整个平台的重心往船艉移动。生活区的前移，不仅可以减少整个平台重心的后移量，还可以减少船体左舷和右舷桩腿轴向力的增加量。
3.桩腿技术
新一代的自升式钻井平台大多采用超高强度钢的主弦管和支撑管，以减小水阻力和波浪载荷的影响。桩腿技术一般采用具有高强度与高刚度的“X”和逆“K”型管节点，同时减少节点数量。
4.提升工作水深技术
自升式平台的工作水深能够不断增加，主要是两个方面的原因：首先在整体结构上，使用高强度与高刚度重量比、低水阻力桩腿设计。升降装置安装齿条锁定系统，利用桩腿的主弦管轴向力所形成的力距，来平衡由环境载荷产生的作用于平台船体桩腿的横截面弯距。例如“玛士基创新者号”船体宽达102.5米，桩腿之间距离大，能够更加有效地抵御风浪流所引起的基底倾覆力距，减少桩腿的基地反力。另一方面，随机振动理论和波浪理论的发展，使得研究者能够更加精确地计算出由于随机波浪作用产生的动力效应。<
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.1.1 自升式平台主要技术 1
1.1.2 自升式平台主要发展趋势 2
1.2 研究背景 4
1.3 锚机基座设计现状以及存在的问题 4
1.4 本文的主要内容 4
第二章 锚机基座相关介绍及设计流程 6
2.1 锚机及锚机基座 6
2.2 锚机基座设计简要流程 8
第三章 FEMAP及有限元分析 9
3.1 FEMAP相关介绍 9
3.2 有限元分析及有限元法 10
第四章 艏部锚机基座设计及强度计算 14
4.1 设计标准 14
4.1.1 规范和标准 14
4.1.2 许用应力 14
4.2 模型概述 15
4.2.1 AUTOCAD中艏部模型相关描述 15
4.2.2 有限元分析中的模型坐标系 15
4.2.3 有限元分析模型中的单位系统和要素类型 15
4.2.4 结构模型范围 16
4.2.5 一些尺寸和材料 16
4.3 边界条件 19
4.4 设计载荷 21
4.4.1 结构自重 21
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*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
1 AUTOCAD中艏部模型相关描述 15
4.2.2 有限元分析中的模型坐标系 15
4.2.3 有限元分析模型中的单位系统和要素类型 15
4.2.4 结构模型范围 16
4.2.5 一些尺寸和材料 16
4.3 边界条件 19
4.4 设计载荷 21
4.4.1 结构自重 21
4.4.2 甲板活动载荷 21
4.4.3 设备载荷 21
4.4.4 惯性载荷 22
4.5 荷载工况 22
4.6 分析结果 24
4.7 结论 25
第五章 艉部锚机基座设计及强度计算 26
5.1 设计标准 26
5.1.1 规范和标准 26
5.1.2 许用应力 26
5.2 模型概述 27
5.2.1 AUTOCAD中艉部模型的相关描述 27
5.2.2 有限元分析中的模型坐标系 27
5.2.3 有限元分析模型中的单位系统和要素类型 27
5.2.4 结构模型范围 28
5.2.5 一些结构的材料和尺寸 28
5.3 边界条件 32
5.4 设计载荷 33
5.4.1 结构自重 33
5.4.2 甲板活动载荷 33
5.4.3 设备载荷 33
5.4.4 惯性载荷 33
5.5 荷载工况 34
5.6 分析结果 36
5.7 结论 37
结 语 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
附录A 艏部输出结果云图 41
附录B 艉部输出结果云图 49
第一章 绪论
1.1 概述
1.1.1 自升式平台主要技术
海洋平台是为在海上实施钻井、采油、观测、施工等作业提供生产与生活设施的构筑物。平台按照结构与工作状态的差异可以分为固定式、移动式和半固定式三个大类。其中的活动式平台又细分为着底式与浮动式，自升式平台便是属于浮动式平台，它是由一个驳船式的船体和若干个能升降并且可以支撑整体结构的桩腿组成，平台的船体拥有足够的浮力来运输钻井设备和补给到达指定的工作地点。在作业时，桩腿支撑起整个结构并将主船体提升至海面以上。平台转移时，将桩腿拔起，主船体下沉浮在海面上，就可以托运至另外一个地点进行作业。
自升式平台也可细分成插桩和沉垫两种。插桩自升式就是利用桩腿插入海底来进行升降操作；沉垫自升式是在桩腿下设置桩靴或者独立的小沉垫来支撑起桩腿结构。自升升降结构有液压式和齿轮啮合式两种，但一般情况下采用齿轮式升降。
目前，世界上的自升式钻井平台相关的主要技术有：平台船体设计技术、悬臂梁技术、桩腿技术、提升作业水深等各个方面的技术，现在分别介绍如下：
1.悬臂梁技术
自升式钻井平台的钻台已经从使用初期的槽口式发展到如今的悬臂梁式，这种进步大大提高了自升平台的钻井效率。目前悬臂梁已进一步发展为可脱离式悬臂梁。即悬臂梁可伸出钻井船体的艉部，移动至导管架平台，之后脱离自升钻井平台，最后定位到导管架平台的顶部来进行钻井作业。这一项技术使自升式钻井平台能够在风暴情况下，更加高效和安全地进行钻井作业。例如MSC公司研发的X—Y悬臂梁，平台的钻台维持在悬臂梁中心，由滚动式支座来实现整体沿横向与纵向的移动，钻台两侧的主梁承受相等的荷载，最大悬吊27.4米。在悬臂梁悬吊27.1米及可移动范围内，具有分布均匀的1,400吨可变荷载。
此外，荷兰的Huisman公司还研发出旋转型悬臂梁，该悬臂梁通过径向与环向的滑轨来实现移动，有着与X—Y悬臂梁相类似的在可移动范围内分布均匀的可变载荷，由于目前型号中的旋转型悬臂梁的可变荷载没有X—Y悬臂梁大，但是旋转型悬臂梁能够在主甲板上抬高，可以有效增加甲板的可利用面积。
2.平台船体设计技术
自升式平台的船体采用模块化的施工与设计，加大甲板的主尺寸与作业面积，增大可变载荷并增强钻井物资储放能力，延长在恶劣海域作业的自持力。该设计将平台的生活区移到船艏，使用挑出式和包络式的设计，既减少悬臂梁在钻井作业中发生事故时，对所有船员造成的伤害，也能够腾出甲板的中部空间来给作业堆料。另一方面，悬臂梁在悬挑作业时，会将整个平台的重心往船艉移动。生活区的前移，不仅可以减少整个平台重心的后移量，还可以减少船体左舷和右舷桩腿轴向力的增加量。
3.桩腿技术
新一代的自升式钻井平台大多采用超高强度钢的主弦管和支撑管，以减小水阻力和波浪载荷的影响。桩腿技术一般采用具有高强度与高刚度的“X”和逆“K”型管节点，同时减少节点数量。
4.提升工作水深技术
自升式平台的工作水深能够不断增加，主要是两个方面的原因：首先在整体结构上，使用高强度与高刚度重量比、低水阻力桩腿设计。升降装置安装齿条锁定系统，利用桩腿的主弦管轴向力所形成的力距，来平衡由环境载荷产生的作用于平台船体桩腿的横截面弯距。例如“玛士基创新者号”船体宽达102.5米，桩腿之间距离大，能够更加有效地抵御风浪流所引起的基底倾覆力距，减少桩腿的基地反力。另一方面，随机振动理论和波浪理论的发展，使得研究者能够更加精确地计算出由于随机波浪作用产生的动力效应。<
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