CN110263402A - 一种自升式平台穿刺距离计算方法 - Google Patents

一种自升式平台穿刺距离计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自升式平台穿刺距离计算方法，首先假定一系列穿刺距离，求得对应各穿刺距离穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力，生成该支持力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线A；进一步生成曲线A对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线B；求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成该土壤插桩阻力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线C；进一步生成曲线C对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线D；曲线B和曲线D的交点处的穿刺距离为桩靴最终穿刺距离。本发明克服现有穿刺距离分析中将穿刺过程考虑为静态过程和对平台结构参数考虑的不足，提供更准确的分析计算方法。

Description

一种自升式平台穿刺距离计算方法
技术领域
本发明涉及一种穿刺距离计算方法，特别涉及一种自升式平台穿刺距离计算方法。
背景技术
由于海底地质条件多变，在某些位置会出现上硬下软的地层，这种地基条件下进行插桩作业会造成桩靴在地基内的突然贯入的风险，业界将其称为穿刺。随着自升式平台在海洋工程界的广泛应用，这种穿刺带来了大量的经济损失，尽管近十年来穿刺的事故有所减少，但穿刺现象仍平均在每年一次以上。
以往的研究均以土壤承载力为研究对象，忽略了随着平台的倾斜后对其平衡需要地基提供的桩脚反力的变化，以及穿刺的过程的动态特性，对于穿刺距离的判断如图3所示。而实际上平台在发生穿刺到穿刺终止时间并不像地基沉降哪样缓慢，通常的时间量级在分钟级，因此再作为一个静态的过程进行考虑不再合适，传统的穿刺距离预估方法存在缺陷。
自升式平台在实际作业中可以通过降低气隙的方式来减小穿刺的风险，但根据传统的计算方法无法比较出不同的压载气隙对于穿刺距离的影响。
当压载气隙大于0时，平衡反力并不是一直随着入泥深度的增加而减小的，而是在初始阶段有增加的过程。假设的插桩阻力曲线如图6所示，该压载根据本算法判断就存在穿刺风险，而根据传统的方法本压载就不存在穿刺风险，对穿刺风险的漏判可能会造成平台作业事故的发生。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供准确的一种自升式平台穿刺距离计算方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种自升式平台穿刺距离计算方法，首先假定一系列穿刺距离，求得对应各穿刺距离穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力，生成该支持力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线A；进一步生成曲线A对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线B；求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成该土壤插桩阻力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线C；进一步生成曲线C对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线D；曲线B和曲线D的交点处的穿刺距离为桩靴最终穿刺距离。
进一步地，生成曲线A的方法包括如下步骤：
步骤一，建立桩靴穿刺情况下的平台变形有限元模型，设定平台变形误差阈值；
步骤二，按照假定的穿刺距离计算平台第一次变形量；
步骤三，计算平台第N次变形导致船体入水产生的浮力以及未穿刺桩靴转动产生的桩端弯矩，其中N≥1；
步骤四，将步骤三计算得到的数据，代入有限元模型中重新计算，得到平台第N+1次变形量；
步骤五，将平台第N次变形量和平台第N+1次变形量之间的差值与平台变形误差阈值进行比较，如差值大于平台变形误差阈值，则N值加1，返回步骤三，如差值小于等于平台变形误差阈值，则进行步骤六；
步骤六，提取穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力；
步骤七，更换穿刺距离，重复步骤二至步骤六，绘制穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力随穿刺距离变化的曲线。
进一步地，建立桩靴穿刺情况下的平台变形有限元模型包括如下步骤：
步骤a，假设发生桩靴穿刺，分析平台在发生桩靴穿刺后的受力情况；
步骤b，根据上述的受力分析，以未穿刺桩靴中心位置为基点，建立未穿刺桩靴桩端弯矩平衡方程，如公式1所示：
M2+R1·L1+Ge·LGe+Fe·LFe＝mAl+ARI (公式1)；
以及建立穿刺桩靴支反力的平衡方程，如公式2所示：
R1+R2+Ge+Fe＝mA (公式2)；
其中公式1和公式2中：
M2为两个未穿刺桩靴端部所提供的弯矩，逆时针为正；
R1为穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
R2为两个未穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
Ge为平台的重量产生的重力，向上为正；
Fe为平台产生的浮力，向上为正；
L1为桩腿间的跨距；
LGe为平台重量力臂；
LFe为平台上船体浮力力臂；
m为总质量；
l为质心到未穿刺桩靴中心距离；
A为质心处平动加速度，向上为正；
AR为质心处转动加速度，逆时针为正；
I为总质量惯性矩。
进一步地，利用插桩模型试验，求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成曲线C。
本发明具有的优点和积极效果是：克服现有穿刺距离分析中将穿刺过程考虑为静态过程和对平台结构参数考虑的不足，如平台的船体入水带来的浮力、平台未穿刺桩腿桩端提供弯矩以及平台大位移带来的非线性载荷。采用加载位移法，将一系列假定的穿刺距离，通过指定位移量的形式施加到有限元模型中，来提取穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力的大小，再根据能量守恒原理，求得桩靴最终穿刺距离。本发明采用为自升式平台穿刺提供更加科学的分析方法与控制技术，能够更准确的预判穿刺距离。而且通过本方法可以清晰的对比出不同的压载气隙对穿刺距离的影响，为压载方案的制定提供技术支撑。减少对穿刺风险的漏判，减少平台作业事故的发生。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的工作流程分解图；
图2为本发明的一种穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力随穿刺距离变化的曲线生成工作流程图；
图3为传统穿刺距离分析曲线图；
图4为传统不同气隙穿刺桩靴平衡所需支反力曲线比较图；
图5为本发明不同气隙穿刺桩靴平衡所需支反力做功曲线比较图；
图6为本发明穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力与插桩阻力曲线；
图7为本发明穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力与插桩阻力做功曲线；
图8为整个平台在发生穿刺后承受载荷图。
图中：1、平台重心；2、平台浮心；3、海平面；4、海底面；δ1、压载气隙；H1、水深；H2、未穿刺桩靴入泥深度；H3、穿刺桩靴入泥深度；H4、平台吃水深度；M2、未穿刺桩靴端部所提供的弯矩；Ge、平台的重量产生的重力；Fe、平台上船体产生的浮力；L1、桩腿间的跨距；LGe、平台重量力臂；LFe、平台上船体浮力力臂；R1、穿刺桩靴所能提供的支反力；R2、两个未穿刺桩靴所能提供的支反力。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图8，一种自升式平台穿刺距离计算方法，首先假定一系列穿刺距离，求得对应各穿刺距离穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力，生成该支持力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线A；进一步生成曲线A对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线B；求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成该土壤插桩阻力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线C；进一步生成曲线C对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线D；曲线B和曲线D的交点处的穿刺距离为桩靴最终穿刺距离。
进一步地，生成曲线A的方法可包括如下步骤：
步骤一，可建立桩靴穿刺情况下的平台变形有限元模型，设定平台变形误差阈值；
步骤二，可按照假定的穿刺距离计算平台第一次变形量；
步骤三，计算平台第N次变形导致船体入水产生的浮力以及未穿刺桩靴转动产生的桩端弯矩，其中N≥1；
步骤四，将步骤三计算得到的数据，代入有限元模型中重新计算，得到平台第N+1次变形量；
步骤五，将平台第N次变形量和平台第N+1次变形量之间的差值与平台变形误差阈值进行比较，如平台第N次变形量和平台第N+1次变形量之间的差值大于平台变形误差阈值，则N值加1，返回步骤三，如平台第N次变形量和平台第N+1次变形量之间的差值小于等于平台变形误差阈值，则进行步骤六；
步骤六，可提取穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力；
步骤七，可更换穿刺距离，重复步骤二至步骤六，绘制穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力随穿刺距离变化的曲线。
载荷有两种施加方法，加载力法和加载位移法，本发明中采用加载位移法，将一系列穿刺距离，通过指定位移量的形式施加到有限元模型中，来提取穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力的大小。
进一步地，建立桩靴穿刺情况下的平台变形有限元模型可包括如下步骤：
步骤a，假设发生桩靴穿刺，分析平台在发生桩靴穿刺后的受力情况；
分析平台在发生桩靴穿刺后的受力情况可采用图示方法，请参见图8，图8图示了当一个桩靴发生穿刺时，平台一部分位于海平面3下，一部分位于海平面3上，平台各部分的受力情况，用图示法分析了下列平台结构参数和作业过程变量的相互关系：海平面3距离海底面4的水深H1、平台重心1、平台浮心2、压载气隙δ1、未穿刺桩靴入泥深度H2、穿刺桩靴入泥深度H3、平台吃水深度H4、未穿刺桩靴端部所提供的弯矩M2、平台的重量产生的重力Ge、平台上船体产生的浮力Fe、桩腿间的跨距L1、为平台重量力臂LGe、平台上船体浮力力臂LFe、穿刺桩靴所能提供的支反力R1以及两个未穿刺桩靴所能提供的支反力R2等参数。
步骤b，可根据上述的受力分析，以未穿刺桩靴中心位置为基点，建立未穿刺桩靴桩端弯矩平衡方程，如公式1所示：
M2+R1·L1+Ge·LGe+Fe·LFe＝mAl+ARI (公式1)；
以及建立穿刺桩靴支反力的平衡方程，如公式2所示：
R1+R2+Ge+Fe＝mA (公式2)；
其中公式1和公式2中：
M2为两个未穿刺桩靴端部所提供的弯矩，逆时针为正；
R1为穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
R2为两个未穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
Ge为平台的重量产生的重力，向上为正；
Fe为平台产生的浮力，向上为正；
L1为桩腿间的跨距；
LGe为平台重量力臂；
LFe为平台上船体浮力力臂；
m为总质量；
l为质心到未穿刺桩靴中心距离；
A为质心处平动加速度，向上为正；
AR为质心处转动加速度，逆时针为正；
I为总质量惯性矩。
假设存在这样一个穿刺桩靴处的支持力，可以使整个平台处于静态平衡状态，将其称为穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力，用Rsta表示，此时公式1和公式2中的质心处平动加速度A，以及质心处转动加速度AR，均为0，此时公式1和公式2的等式右边均为0，则可推导出如下公式3和公式4：
M2+Rsta·L1+Ge·LGe+Fe·LFe＝0 (公式3)；
Rsta+R2+Ge+Fe＝0 (公式4)；
公式3和公式4中各参数定义与公式1和公式2中的参数定义相同。
Rsta可利用有限元模型，通过将桩靴的穿刺位置作为强制位移施加到平台变形有限元模型中求得，其中考虑到载荷和变形的非线性因素需多次进行迭代以满足精度要求。
进一步地，可利用插桩模型试验或CEL有限元计算，求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成曲线C。
本发明的工作原理：
根据能量守恒原理，当桩靴穿刺后，桩靴端部地基吸收的能量、平台受到的浮力吸收能量后获得的势能、平台自身的变形吸收能量后获得的弹性势能、平台运动的动能以及平台下降过程中消耗的的重力势能之间存在能量守恒方程，如公式5所示：
Pg＝Wsp+Pbuoy+Prig+Ek (公式5)；
其中：Pg为平台下降过程中消耗的的重力势能；
Wsp为桩靴端部地基吸收的能量；
Pbuoy为平台受到的浮力吸收能量后获得的势能；
Prig为平台自身的变形吸收能量后获得的弹性势能；
Ek为平台运动的动能。
当穿刺桩靴的穿刺距离为最终穿刺距离时，平台处于静止状态，则平台运动的动能为零；因平台自身的变形吸收能量后获得的弹性势能相对较小，可忽略不计，则平台自身的变形吸收能量后获得的弹性势能可看作为0，则当穿刺桩靴的穿刺距离为最终穿刺距离时的能量守恒方程简化如公式6所示：
Pg-Pbuoy＝Wsp (公式6)；
由于平台下降过程中消耗的的重力势能与平台受到的浮力吸收能量后获得的势能两者的差值，等于穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力的做功，如公式7所示：
在公式7中：
Pg为平台下降过程中消耗的的重力势能；
Pbuoy为平台受到的浮力吸收能量后获得的势能；
Rsta为穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力；
H3为穿刺桩靴入泥深度。
桩靴端部地基吸收的能量又等于穿刺桩靴所能提供的支反力的做功，如公式8所示：
在公式8中：
Wsp为桩靴端部地基吸收的能量；
R1为穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
H3为穿刺桩靴入泥深度。
当穿刺桩靴的穿刺距离为最终穿刺距离时，穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力的做功等于穿刺桩靴所能提供的支反力的做功，如公式9所示：
在公式9中：
D为最终穿刺距离；
Rsta为穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力；
R1为穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正。
通过假定一系列穿刺距离，可求得对应各假定穿刺距离穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力Rsta，从而生成曲线A，积分求得穿刺桩靴对应各穿刺位置的静态平衡所需支持力的做功从而生成曲线B。
穿刺桩靴所能提供的支反力等于土壤插桩阻力，可利用插桩模型试验或CEL有限元计算，求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，可以生成曲线C，积分求得穿刺桩靴所能提供的支反力的做功从而生成曲线D。
曲线B和曲线D的交点处的穿刺距离即为穿刺桩靴的最终穿刺距离。
通过以上计算得到各穿刺位置下的平台下降过程中消耗的的重力势能与平台受到的浮力吸收能量后获得的势能之差，以及桩靴端部地基吸收的能量；再根据能量守恒原理，忽略平台自身的变形吸收能量后获得的弹性势能，得到最终穿刺距离。
自升式平台在实际作业中可以通过降低气隙的方式来减小穿刺的风险，但根据传统的计算方法无法比较出不同的压载气隙对于穿刺距离的影响。
本发明在于克服现有穿刺距离分析中将穿刺过程考虑为静态过程和对平台结构参数考虑的不足，如：平台的船体入水带来的浮力、平台未穿刺桩腿桩端提供弯矩以及平台大位移带来的非线性载荷。为自升式平台穿刺提供更加科学的分析方法与控制技术。
通过对整个平台在发生穿刺后承受载荷情况受力图，进行解析结果的原理推导，为便于分析，通过假定一系列的穿刺深度，利用有限元模型求得对应各穿刺距离穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力Rsta，然后通过对其及海底土壤插桩阻力沿深度方向进行积分(即两条曲线下的面积)，最终求积分后曲线的交点，即为最终穿刺距离。
由图4至图5可以清晰的看出传统方法与本方法对穿刺距离评估的差异，而且通过本方法可以清晰的对比出不同的压载气隙对穿刺距离的影响。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种自升式平台穿刺距离计算方法，其特征在于，首先假定一系列穿刺距离，求得对应各穿刺距离穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力，生成该支持力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线A；进一步生成曲线A对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线B；求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成该土壤插桩阻力与穿刺距离的关系曲线，并定义该关系曲线为曲线C；进一步生成曲线C对应穿刺距离的积分曲线，并定义该积分曲线为曲线D；曲线B和曲线D的交点处的穿刺距离为桩靴最终穿刺距离。
2.根据权利要求1所述的自升式平台穿刺距离计算方法，其特征在于，生成曲线A的方法包括如下步骤：
步骤一，建立桩靴穿刺情况下的平台变形有限元模型，设定平台变形误差阈值；
步骤二，按照假定的穿刺距离计算平台第一次变形量；
步骤三，计算平台第N次变形导致船体入水产生的浮力以及未穿刺桩靴转动产生的桩端弯矩，其中N≥1；
步骤四，将步骤三计算得到的数据，代入有限元模型中重新计算，得到平台第N+1次变形量；
步骤五，将平台第N次变形量和平台第N+1次变形量之间的差值与平台变形误差阈值进行比较，如差值大于平台变形误差阈值，则N值加1，返回步骤三，如差值小于等于平台变形误差阈值，则进行步骤六；
步骤六，提取穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力；
步骤七，更换穿刺距离，重复步骤二至步骤六，绘制穿刺桩靴处于静态平衡时所需提供的支持力随穿刺距离变化的曲线。
3.根据权利要求2所述的自升式平台穿刺距离计算方法，其特征在于，建立桩靴穿刺情况下的平台变形有限元模型包括如下步骤：
步骤a，假设发生桩靴穿刺，分析平台在发生桩靴穿刺后的受力情况；
步骤b，根据上述的受力分析，以未穿刺桩靴中心位置为基点，建立未穿刺桩靴桩端弯矩平衡方程，如公式1所示：
M2+R1·L1+Ge·LGe+Fe·LFe＝mAl+ARI (公式1)；
以及建立穿刺桩靴支反力的平衡方程，如公式2所示：
R1+R2+Ge+Fe＝mA (公式2)；
其中公式1和公式2中：
M2为两个未穿刺桩靴端部所提供的弯矩，逆时针为正；
R1为穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
R2为两个未穿刺桩靴所能提供的支反力，向上为正；
Ge为平台的重量产生的重力，向上为正；
Fe为平台产生的浮力，向上为正；
L1为桩腿间的跨距；
LGe为平台重量力臂；
LFe为平台上船体浮力力臂；
m为总质量；
l为质心到未穿刺桩靴中心距离；
A为质心处平动加速度，向上为正；
AR为质心处转动加速度，逆时针为正；
I为总质量惯性矩。
4.根据权利要求1所述的自升式平台穿刺距离计算方法，其特征在于，可利用插桩模型试验或CEL有限元计算，求得对应各穿刺距离的土壤插桩阻力，生成曲线C。
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