自升式海洋平台结构的冰振机理及动力失效模式研究

Jack-up offshore platform belongs to the compliant ice-resistant structure, which has cylindrical leg with gear teeth, the failure mode of the ice sheet could be more complicated between ice and jack-up legs. Presently, the use of the development of the abundant resources in arctic region urges the increase of the requirements for jack-up offshore platforms. Many key problems in the ice-resistant design are still unrevealed. So this project is just concerning on the ice-vibration mechanism and structural dynamic failure modes for the jack-up platforms. The studies will be performed through the model tests of the interaction between the ice and the leg with gear teeth in the low temperature laboratory. The failure mechanism of ice sheet and structural response characteristics are determined under different ice velocities and action angle between the ice motion and gear teeth. The measurement method of the total ice force for the complicated structure is established on the new ice-resistant platform in Bohai Sea, and then the formula of the ice loads for the jack-up platform with gear teeth. Based on ANSYS numerical simulation, considering the representative jack-up offshore platforms, structural dynamic failure modes and criteria are analyzed. This project will provide solid theory foundation for ice-resistant design and construction of the jack-up platforms in the polar and sub-polar regions.

自升式海洋平台属柔性抗冰结构，其桩腿在水线位置是两侧带有齿条的圆柱，海冰作用在这类结构上发生的破坏模式非常复杂。随着近年极地海洋资源开发逐渐升温，自升式海洋平台将大规模在冰区使用，但其在设计中仍有许多关键性问题尚未得到解决。为此，本申请项目针对自升式海洋平台结构的冰振机理及动力失效模式问题，通过低温实验室开展冰与带齿条桩腿相互作用的模型实验，明确不同冰速、齿条角度下冰排的破坏形式及结构响应特点；利用渤海新建平台，建立柔性结构总冰力现场测量方法，进而确定适合带齿条圆柱结构的冰力模型；基于ANSYS有限元数值模拟，选取典型的自升式平台结构，确定冰振下该类结构的动力失效模式及判据。本申请项目通过对自升式海洋平台的海冰作用机理研究，确定冰激结构振动的动力失效模式，为极区与亚极区自升式海洋平台的设计、建造提供坚实的理论基础。

自升式海洋平台是勘探、开发海洋石油的重要装备，壳体式桩腿的自升式平台是适合极地和我国渤海冰区的结构形式。桩腿两侧带有齿条，海冰作用在这类结构上发生的破坏模式非常复杂。本申请项目针对自升式海洋平台结构的冰振机理及动力失效模式问题，开展了相关模型实验及数值模拟研究。主要内容包括：通过低温实验室开展冰与带齿条桩腿相互作用的模型实验，明确不同冰速、齿条角度下冰排的破坏形式及结构响应特点；利用渤海新建平台，建立柔性结构总冰力现场测量方法，进而确定适合带齿条圆柱结构的冰力模型；基于ANSYS有限元数值模拟，选取典型的自升式平台结构，确定冰振下该类结构的动力失效模式及判据。.本项目明确冰与带齿条桩腿相互作用的模型实验方案设计，实验结果发现圆柱结构和带齿条结构的最大静冰力没有显著的差异，作用角度的影响也不显著，没有从根本上改变冰的挤压破坏模式；同样存在包括准静态振动，稳态振动，随机振动在内的三种冰激振动模式。利用渤海辽东湾的几座柔性平台上多年的实测数据，从冰力的周期性和同步性分析局部冰力的相关性，明确海冰与结构发生同时/非同时挤压破坏效应以及对极值静冰力的影响。结合模型实验及数值模拟的方法对结构荷载进行标定，利用水下结构局部应变响应信息来确定海洋平台冰荷载。通过获得的冰荷载全面信息，以便对柔性结构极值冰荷载进行量化分析，同时为完善稳态冰力与随机冰力提供理论依据。基于数值模拟，提出冰荷载作用下柔性抗冰结构的失效模式及判别指标，并明确相应的评价方法。结果表明，目前的自升式钻井平台设计满足极值静冰荷载要求，冰激平台的加速度响应不是很显著；而动冰荷载下结构的稳态振动对桩腿与平台相连处会激起一定的交变应力，疲劳失效可能存在，基础可能会由于土的变化而发生失效。本申请项目通过对自升式海洋平台的海冰作用机理研究，确定冰激结构振动的动力失效模式，为极区与亚极区自升式海洋平台的设计、建造提供坚实的理论基础。