摘 要

自升式平台（The Jack-up Platform）是一种功能强大的海上移动平台，其良好的可移动性能和操作性能等特点使其成为了海洋资源开发的重要工程装备。自升式平台的发展，对人类社会的进步起到重要作用，而平台的安全性能，是保障其正常作业的关键条件。

主发电机基座是海洋平台上关键设备的支撑结构，其自身结构的安全性和可靠性对平台的正常运行至关重要。一方面，基座要有足够的强度来良好的支撑发电机，传递相应的载荷至平台主体结构，避免产生局部应力集中，另一方面，基座结构需要有足够的刚度，在发电机激励作用下不应引起局部较大的动力响应。发电机基座的强度和刚度是本文的重点研究对象。

本文依据给定的相关结构、布置图，以及《ABS海洋平台建造规范》的要求，在充分考虑基座结构与平台主体结构的连续性以及现场施工条件下，设计出了一种满足使用要求的主发电机基座以及相关的内底板反面加强结构，并借助有限元软件Femap建立了基座和机舱区域结构的三维模型，根据平台的各种设计工况以及工作环境，对模型施加相应的载荷和边界条件，使用Nastran求解器计算分析了结构的振动和屈服强度，综合评估整体结构的安全性能，确保设计的结构的安全性与合理性。

关键词：自升式平台；基座；结构强度；振动；有限元法

Abstract

The jack-up platform is a powerful offshore mobile platform with good mobile and operational performance, which makes it an important engineering equipment for the development of Marine resources. The development of the jack-up platform plays an important role in the progress of human society, and the safety performance of the platform is the key point to ensure its normal operation.

The main generator base is a support structure of the key equipment on the ocean platform. Its structural safety and reliability are very important to the normal operation of the platform. On the one hand, the base must have enough strength to support the generator and pass the load to the main structure platform appropriately to avoid local stress concentration. On the other hand, the base needs to have enough rigidity to avoid local larger dynamic response under the influence of generator excitation. The strength and stiffness of the generator base is the focus of this paper.

According to the given relevant structure and layout plan and the requirements of the ABS offshore construction rules, considering the continuity base structure and the main structure of the platform and construction conditions fully, designed a main generator base and the related strengthen structure under the inner bottom that meet the requirement. With the aid of Femap, a finite element software, the three dimensional model of the base and engine room area is established. According to all kinds design and the working conditions of the platform, applying the corresponding loading and boundary conditions of the model. Then the vibration and yield strength of structure is analyzed by Nastran solver to evaluate the safety performance of the overall structure comprehensively and ensure the safety and rationality of the design.

Key Words：Jack-up Platform；Base structure；Structural Strength；Vibration；Finite Element Method

目录

第一章 绪 论 1

1.1 自升式平台简介 1

1.2 平台主发电机基座的研究意义 1

1.3 国内外研究综述 2

1.4 本文主要工作 3

第二章 平台主要设计参数 5

2.1平台主尺度 5

2.2设计标准与条件 5

2.2.1载荷定义 5

2.2.2性能标准和设计条件 5

2.2.3拖航条件 6

2.2.4动力定位的环境条件 6

2.2.5顶升和预压载的环境条件 6

2.2.6运转和自存的环境条件 7

2.2.7设计载荷 7

2.2.8液舱容积 7

2.2.9船体设计使用年限 7

第三章 基座结构设计 8

3.1发电机机舱结构与布置简介 8

3.2发电机设备资料与结构定位 9

3.2.1设备资料 9

3.2.2结构定位 11

3.3各类基座形式简介 11

3.3.1基座基本结构介绍 11

3.3.2基座与发电机连接形式对比 12

3.4主发电机基座结构设计 12

3.4.1基座形式选定 12

3.4.2基座主体结构设计 13

3.4.3肘板设计 14

3.4.4加强结构设计 15

第四章 结构规范计算 17

4.1板材厚度 17

4.1.1船底板 17

4.1.2内底板 17

4.1.3舷侧外板 18

4.1.4横舱壁 18

4.1.5中底桁 19

4.1.6旁底桁 20

4.1.7实肋板 20

4.2纵骨尺寸 20

4.2.1船底纵骨 20

4.2.2内底纵骨 21

4.3加强筋尺寸计算 21

4.3.1舷侧外板加强筋 21

4.3.2横舱壁加强筋 22

4.3.2水密实肋板加强筋 22

4.3.4纵桁加强筋 22

第五章 有限元计算模型 23

5.1简介 23

5.2坐标系与单位 23

5.2.1坐标系 23

5.2.2单位 23

5.3材料属性 23

5.4几何模型建立 23

5.5模型单元网格生成 25

5.5.1基本描述 25

5.5.2各部分结构单元描述 25

5.6边界条件 30

5.7设计载荷与工况 30

5.7.1设计载荷 30

5.7.2基本载荷工况和组合工况 31

第六章 屈服强度与振动计算分析 32

6.1简介 32

6.2屈服强度计算分析 32

6.2.1规范规定 32

6.2.2计算结果 33

6.2.3结果分析 37

6.3自由振动计算分析 38

6.3.1规范规定 38

6.3.2计算结果 38

6.3.3结果分析 41

第七章 总结与展望 42

7.1总结 42

7.2展望 42

参考文献 44

致 谢 46

第一章 绪 论

1.1 自升式平台简介

海洋覆盖着地球表面约70%，是人类生存与发展的重要资源宝库^[1]。随着社会的不断发展与科学的不断进步，人类对油气资源的需求逐日增长，陆地上的资源在经历了人类大规模的开采之后，逐渐呈现衰竭的迹象，且陆地资源的开发，对地球表面结构的破坏很大，对人类社会的可持续发展是极为不利。基于众多因素考虑，合理开发海洋资源，已然成为社会发展的重大战略。20世纪以来，各沿海国家相继开始重视海洋资源的开发^[2]。海洋平台在资源开发的过程中，起到了不可或缺的作用。其中自升式平台是一种可移动的海上平台，具有定位能力强以及作业可靠性好等优点，因此在海洋油气资源的开发中起到重要作用^[3]。

自升式平台，包括自升式钻井平台、自升式生活平台、钻井辅助平台和风力安装平台等，广泛应用于国内外的海上作业。自升式平台有三大主体部分：主船体，桩靴和升降机构。以自升式钻进平台为例，需要进行钻井作业时，桩靴机构将桩腿伸入海底，船体在桩腿的支撑下便可以向上爬，离开海面，这样工作时主船体不会受到较大的海水运动的影响，具有良好的稳定性。打井作业完成后，船体下放到海水面，浮在水上，便能逐渐收起桩腿，并可以拖航到下一个作业地点。在诸多海洋资源开采装备中，自升式平台依靠其灵活的作业性能，良好的可移动性能和操作性能等，成为了最重要的海洋工程装备^[4]。为了满足海洋资源开发的需要，自升式平台不断向以下方向发展：

1. 平台作业深水化。
2. 平台功能多样化。
3. 平台性能趋向智能化和自动化^[5]。

1.2 平台主发电机基座的研究意义

平台主发电机是为全船电力设备供电的机械，是保证平台正常工作的核心动力来源。而发电机基座是平台中对发电机起到支撑以及定位安装作用的一个重要结构，在静态工况下，基座主要承受来自发电机的重力，在作业工况下，基座会承受发电机转动引起的附加载荷等。发电机安全可靠的工作与基座合理的结构性能是密不可分的。一方面，基座要有足够的强度来良好的支撑发电机，传递相应的载荷至平台结构，避免产生应力集中，另一方面，基座结构需要有足够的刚度，在发电机激励作用下不应引起局部较大的动力响应，因此，发电机基座的强度和刚度是需要重点考虑的因素。研究发电机基座的结构性能，即是为了平台能够安全可靠的工作，保证生产作业的顺利进行，这对于人命财产安全以及社会经济发展具有重要意义。

1.3 国内外研究综述

海洋平台的工作环境十分恶劣，受到的环境载荷十分苛刻，如风^[6]、浪、流等，平台长时间暴露于较严厉的外部载荷，容易受到极端载荷破坏^[7]，加上其自身在工作时产生的附加载荷，这对平台的结构稳定性来说是一个巨大的挑战^[8]。良好可靠的结构性能，是保证平台安全平稳运行的关键。其中，对于平台本身及其相关重要部位结构的屈服、振动、疲劳等问题，尤其受到国内外学者的关注。

对于平台结构承受载荷及动力响应方面，张建^[9]等人将Super M2海洋平台作为研究对象，分析研究了海洋环境载荷对于自升式平台动力响应的影响，并针对不同工作情况下的自升式平台进行相关数值研究，同时运用Stokes波浪理论来分析水质点的运动，得出了海洋平台的响应特征。李红涛^[10]等人对平台力学响应模型进行分析，列出时域、频域以及单自由度这三种平台响应分析方法，针对这三种不同方法在分析平台动力响应的特点展开了详细的说明。Martin S Williams^[11]等人建立了自升式平台的有限元模型，对所建模型几何非线性问题进行相应的考虑，并进行了模态分析，完成风暴工况下的静态与动态响应分析，得出了波浪特征参数和平台结构动力响应的关系。D.Karunakaran^[12]等人从自升式平台的力学模型着手，对已有的数学模型进行了相关改进，使修正后的模型能表现出平台的非线性动力特性，另外对于方程的水动力系数、阻尼系数和动力放大系数，进行了分析说明。Bent Berge^[13]等人采取模态叠加方法就水深对平台动力响应的影响展开了详细的研究，并且重点分析波浪载荷对海洋平台结构的影响。结果表明，浪向对平台结构的响应影响较小，但是波浪周期的影响较大。Harem, Hsieh^[14]等人分析了高斯海况与非高斯海况对平台结构动态频域响应方面的影响，并总结出在两种不同海况下，平台主体结构的概率响应特性。在研究过程中，着重讨论了流固耦合作用情况下对平台结构的影响，即在Morison方程的广义表达式基础上，于海洋平台结构分析中引进了波浪和自升式钻井平台桩腿之间的相互作用。关于力学方程中的附加质量项与附加阻尼项，二人也给出了相应的求解方法。

对于平台结构振动问题研究，陆建辉^[15]等人利用有限元软件，对平台的模态响应展开了仿真分析，在将随机波浪载荷当作环境载荷的情况下，分析研究了海洋平台的减振机理，如辨识模态参数、平台动力参数、物理参数等，结果表示数值模拟对于低阶模态参数有着较高精度识别。宋永奇^[16]等人利用海洋平台上设备的动态响应特点，对甲板进行有限元分析，通过改变甲板支撑，解决了平台装置在不顺利运转情况时的高振动问题。雒晓兵^[17]等人运用ANSYS软件对平台进行有限元分析，并研究了TMD减振系统对于平台的减震效果。研究结果表明，TMD减振系统将地震载荷所产生的振动显著减轻，其减振率在60%以上。杨昇田^[18]等人为了简化平台固有频率的计算，将方程进行了缩减，在方程中保留剪切、转动惯量和弯曲效应，将其它变量对平台的影响用修正系数的方法表示。

对于平台结构疲劳、屈服的研究，许津豪^[19]等人利用海洋工程专业软件SACS建立了桁架式自升式平台的有限元模型并进行了动态和疲劳分析。为了更好地将SACS软件用于平台的结构分析，其详细地阐述了利用SACS软件进行疲劳分析的详细步骤并针对疲劳分析过程中所采用的相关参数变量与具体方法进行了讨论，结论对自升式平台的疲劳分析具有重要意义。刘小燕^[20]等人首次系统的讨论了海洋工程软件SESAM在平台结构强度分析中所采用的相关模块、分析流程和基本操作步骤，并且利用SESAM软件建立了平台三维模型，进行了各种工况下的结构强度和疲劳分析。并且在此基础上，刘小燕等人重点对疲劳分析过程中相关参数，如S-N曲线、海域、波浪谱等进行了敏感性分析，相关结论对学者们利用SESAM软件进行平台结构分析有着重要参考意义。伞立忠^[21]等人将深海桁架式自升式钻井平台作为研究对象，利用SESAM软件对海洋平台在预压载工况、偏心工况以及风暴自存工况下的桩靴进行结构强度分析计算，并提出了深海自升式平台桩靴的分析流程和设计方法。

1.4 本文主要工作

主发电机基座是平台上重要设备的支撑结构，其自身结构的安全性和可靠性对平台的运行至关重要。本文基于《ABS海洋平台建造规范》（2012修订版）以及《ABS钢质船舶入级与建造规范》，参考招商局重工某在建自升式平台的相关图纸，设计了合理可行的发电机基座以及相关结构，并论证其结构的安全性。具体研究内容有：

（1）根据平台总布置图、机舱布置图、设备资料等相关信息，明确发电机基座的定位与大致尺寸。参考企业在基座设计方面的经验，对比分析了各类型的基座、不同的连接方式之间的优缺点，并根据给定的设备资料，初步设计主发电机基座的结构形式与连接方式。

（2）根据相关的规范，完成结构规范计算书，明确基座所在区域相关板材与型材构件的尺寸。

（3）利用Femap软件建立基座与机舱区域的有限元模型，根据平台的工作海况、环境载荷等明确了平台的几种不同工况，并在各组合工况下，对模型施加对应的载荷和约束，校核结构的屈服强度；利用软件求出基座所在的机舱区域结构自由振动的固有频率，对比来自于发电机的激励频率，以确认避开共振，完成振动校核。

（4）优化设计，完善结构与设计图纸，得出合理可行的主发电机基座结构设计方案。

第二章 平台主要设计参数

2.1平台主尺度

本次设计参考的平台为一个自升式海洋多功能服务平台，无限航区，入级ABS船级社，主要尺度如下表：

表2.1 主尺度

2.2设计标准与条件

2.2.1载荷定义

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：