淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,淺海,計(jì)量,平臺(tái),設(shè)計(jì),cad 淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì) 摘 要 海洋開(kāi)發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開(kāi)發(fā)中，各國(guó)廣泛采用導(dǎo)管架平臺(tái)。本文以渤海地區(qū)的自然環(huán)境條件為設(shè)計(jì)依據(jù)，論述了該環(huán)境條件情況下井組計(jì)量平臺(tái)的的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括平臺(tái)選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定，環(huán)境載荷計(jì)算及各工況載荷的組合，建立ANSYS模型，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力強(qiáng)度校核，地基承載力計(jì)算等幾個(gè)方面。 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使有限元法在工程中得到了廣泛的運(yùn)用。有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特征問(wèn)題的數(shù)值解法，運(yùn)用有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即將求解結(jié)構(gòu)看成由很多稱為互連子結(jié)構(gòu)組成，對(duì)每一個(gè)單元假設(shè)一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)該問(wèn)題的滿足條件，從而得到問(wèn)題的解。作為新一代有限元分析軟件的代表，ANSYS抓住了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)CAE技術(shù)提出的新要求，具有強(qiáng)大的非線性分析功能。 關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；導(dǎo)管架；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；ANSYS The Design of Petroleum Measures Jacket Platform in Shallow Sea Abstract Jacket platform is one of most popular platform types when exploring oil in the shallow areas of the sea.This paper described the design process of a jacket platform according to the usage and the environment condition of Bohai.All the steps included the dimension design of the platform;calculation of the loads resulted from the wind,wave,current and ice;statics and dynamics analysis;strength verifying of the jacket and foundation. Accorrding to the quick development of computer technology,FEA is made extensive application in engineering. ANSYSA is a powerful engineering software, which solve the problems of structure with the finite element method,and regard the whole structure as the unit of many intterrelate substructure,presumes an answer for each element,then deduces the qualification of the whole,and ulimately get the entire answer for the whole. Because the software of ANSYS has the characteristics such as model building simply,fast and conveniently,it becomes the representative of large universal finite element procedure.In terms of composing and function,ANSYS is really an efficient tool in engineering and it plays an important role in static and dynamics analyse. Key words: offshore platform ; jacket;finite elemet method ; structural strength ; ANSYS 評(píng)閱教師評(píng)閱標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)閱意見(jiàn)表 (理、工、農(nóng)、醫(yī)科用表) 學(xué)生姓名 院（系、中心） 專(zhuān)業(yè)年級(jí) 論文（設(shè)計(jì)）題目 淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（A級(jí)） 滿分 評(píng) 分 A B C D E 選題質(zhì)量 選題符合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；題目具有適當(dāng)難度，有一定的理論意義或?qū)嶋H價(jià)值 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 文獻(xiàn)資料利用能力 能獨(dú)立地利用多種方式查閱中外文獻(xiàn)；能正確翻譯外文資料；能正確有效地利用各種文獻(xiàn)資料 10 10 9 8 7 ≤6 實(shí)驗(yàn)研究能力 研究方案設(shè)計(jì)合理；實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)；技術(shù)路線先進(jìn)可行；理論分析和計(jì)算正確；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠；動(dòng)手能力強(qiáng)；能獨(dú)立完成研究任務(wù)；能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題；研究結(jié)果客觀真實(shí) 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)；語(yǔ)言文字表準(zhǔn)確流暢；格式、圖、表規(guī)范；有一定的學(xué)術(shù)水平或?qū)嶋H價(jià)值 30 28-30 25-27 22-24 19-21 ≤18 創(chuàng)新能力 有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)；所做工作有較大突破；論文（設(shè)計(jì)）有獨(dú)到見(jiàn)解 10 10 9 8 7 6 工作量 工作量飽滿；圓滿完成了任務(wù)書(shū)所規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù) 10 10 9 8 7 6 總分 是否同意將該論文（設(shè)計(jì)）提交答辯：是（? ）否（ ） 具體評(píng)閱意見(jiàn)：該畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)井組計(jì)量平臺(tái)的的設(shè)計(jì)，完成了包括平臺(tái)選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定，環(huán)境載荷計(jì)算及各工況載荷的組合，建立ANSYS模型，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力強(qiáng)度校核，地基承載力計(jì)算等工作。達(dá)到了畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，同意其答辯。修改： 1.全文公式?jīng)]有編號(hào)；2.7.2節(jié)中應(yīng)說(shuō)明動(dòng)力響應(yīng)的位移、速度范圍具體數(shù)值； 3.圖7-1，7-2標(biāo)題說(shuō)法不準(zhǔn)確，圖7-7與7-4是同一個(gè)圖？ 4.表4-1，4-2需重新編輯。 評(píng)閱教師（簽名）________________ 2007 年 6 月 10 日 評(píng)閱教師姓名 職稱 學(xué)歷/學(xué)位 工作單位 主要講授課程/研究方向 石湘 副教授 研究生/博士 中國(guó)海洋大學(xué) 結(jié)構(gòu)有限元/平臺(tái)損傷檢測(cè) （設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū) 論文（設(shè)計(jì)） 題目 淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì) 院（系、中心） 專(zhuān) 業(yè) 年 級(jí) 選題來(lái)源 科研 課題 縱向課題（ ） 選題類(lèi)型 理論研究（ ） 橫向課題（ ） 教師自擬課題（√） 應(yīng)用基礎(chǔ)研究（√） 學(xué)生自擬課題（ ） 技術(shù)或工程開(kāi)發(fā)（ ） 論文（設(shè)計(jì)）的基本構(gòu)思和基本任務(wù)： 設(shè)計(jì)適于淺海海域開(kāi)發(fā)的小型平臺(tái)，要求建造簡(jiǎn)易，造價(jià)低廉，在環(huán)境載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)較好，滿足平臺(tái)服役期間的相關(guān)使用要求。 平臺(tái)類(lèi)型：四樁腿摩擦樁式導(dǎo)管架平臺(tái) 平臺(tái)作業(yè)海域：渤海海域 平臺(tái)上部載荷：200噸 使用年限：15年 本次設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是： 1） 搜集相關(guān)資料，對(duì)小型平臺(tái)有所了解； 2） 學(xué)習(xí)ANSYS在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用； 3） 確定平臺(tái)型式和平臺(tái)尺寸； 4） 利用ANSYS進(jìn)行平臺(tái)建模； 5） 環(huán)境載荷計(jì)算； 6） 通過(guò)平臺(tái)靜力和動(dòng)力分析，校核平臺(tái)剛度和強(qiáng)度； 7） 利用CAD繪制平臺(tái)的立面圖和平面圖； 8） 完成設(shè)計(jì)書(shū)的編寫(xiě)。 9） 翻譯外文資料； 目前的基礎(chǔ)（包括資料收集情況、前期工作情況等） 資料收集情況： 1） 摩擦樁導(dǎo)管架平臺(tái)的相關(guān)論文； 2） 有關(guān)海洋平臺(tái)安全性分析的相關(guān)資料； 3） 海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)和制造的相關(guān)規(guī)范； 4） 導(dǎo)管架平臺(tái)的主要應(yīng)用相關(guān)資料； 5） 導(dǎo)管架平臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r的相關(guān)資料。 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排 1. 1周～2周 搜索相關(guān)資料 2. 3周～4周 外文翻譯，學(xué)習(xí)ANSYS的使用 3. 4周～5周 確定平臺(tái)型式和尺寸 4. 5周～6周 環(huán)境載荷計(jì)算 5. 6周～8周 平臺(tái)建模 6. 8周～9周 平臺(tái)靜力分析 7. 9周～10周 平臺(tái)模態(tài)分析和動(dòng)力響應(yīng)分析 8. 10周～11周 樁基承載力計(jì)算 9. 11周～12周 CAD繪圖 10. 12周～13周 編寫(xiě)設(shè)計(jì)書(shū) 11. 13周～14周 完善圖紙、修改設(shè)計(jì)書(shū) 論文起止時(shí)間：自 2007年 3月5日起 2007年 6 月 10日止 學(xué)生（簽名）： 指導(dǎo)教師（簽名）： 院（系、中心）負(fù)責(zé)人（簽名）： 注：表格不夠可另附頁(yè) 一、選題依據(jù) 課題來(lái)源、來(lái)源和背景情況： 隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大。陸地上的油氣資源經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期大規(guī)模的開(kāi)發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開(kāi)發(fā)漸漸轉(zhuǎn)向了資源豐富的海洋，并形成了投資高、風(fēng)險(xiǎn)大并且高新技術(shù)密集的海洋工程產(chǎn)業(yè)。海洋石油開(kāi)發(fā)是海洋資源開(kāi)發(fā)利用的一部分。目前世界上己有39個(gè)國(guó)家(或地區(qū))從事近海石油開(kāi)發(fā)，22個(gè)國(guó)家(或地區(qū))從事近海天然氣開(kāi)發(fā)。 我國(guó)海域遼闊，其中大陸架面積約有110萬(wàn)平方公里，渤海，黃海，東海和南海都有大面積的沉積盆地，其中具有油氣勘探價(jià)值的面積在60萬(wàn)平方公里以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。預(yù)測(cè)的石油儲(chǔ)量達(dá)250億噸，這是我國(guó)海上石油天然氣開(kāi)發(fā)的豐富資源基礎(chǔ)。我國(guó)從1957年便已開(kāi)始進(jìn)行海洋石油勘探開(kāi)發(fā)，從1979年實(shí)行改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的海上石油開(kāi)發(fā)更是進(jìn)入高速發(fā)展期。 在海洋開(kāi)發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開(kāi)發(fā)中，各國(guó)廣泛采用導(dǎo)管架平臺(tái)。導(dǎo)管架平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：(1)平臺(tái)的支承結(jié)構(gòu)是以圓鋼管為主要構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。(2)由于樁是通過(guò)導(dǎo)管架腿柱打入海床，因此在惡劣的海洋環(huán)境中，樁打的準(zhǔn)、打的直。(3)打樁作業(yè)大大簡(jiǎn)化，保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。(4)平臺(tái)可以在陸上分塊預(yù)制，海上組裝，保證施工質(zhì)量，節(jié)約投資。(5)導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)、制造及安裝技術(shù)成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多，適用性強(qiáng)。 課題研究目的： 根據(jù)渤海海域的環(huán)境條件，以及中國(guó)船級(jí)社《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》等，設(shè)計(jì)一座淺海計(jì)量平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)。 二、文獻(xiàn)綜述 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn) 世界海洋石油發(fā)展現(xiàn)狀 世界石油開(kāi)發(fā)的歷史已有200多年，但直到1974年美國(guó)造出第一座鋼質(zhì)平臺(tái)，海洋石油開(kāi)發(fā)才進(jìn)入了現(xiàn)代化生產(chǎn)的階段。 1990－1995年間，除美國(guó)以外全世界共安裝了703座平臺(tái)，其中83座為半潛式、張力腿式和可移動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)，41各國(guó)家安裝了370多座水深不超過(guò)60m的淺水平臺(tái)。 長(zhǎng)期以來(lái)，樁基導(dǎo)管架平臺(tái)是世界海洋石油生產(chǎn)中采用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。以墨西哥灣海域的平臺(tái)發(fā)展為例，1978年建造的“Cognac”鉆井平臺(tái)以極端的颶風(fēng)載荷控制設(shè)計(jì)，導(dǎo)管架分三段建造；1981年水深285m的“Cerveza”平臺(tái)則使用更為先進(jìn)的整體制造，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)且成本大大降低。而北海的環(huán)境條件比墨西哥灣還要惡劣很多，海水腐蝕也更為嚴(yán)重，1974年建造的一座平臺(tái)，其導(dǎo)管架所有的樁基在四角上，除主樁腿外周?chē)执蛉霐?shù)根環(huán)繞樁，以增大抗傾覆能力。 參考文獻(xiàn) [1] 劉鴻文 .《材料力學(xué)》. 高等教育出版社 , 2004.1 [2] 龍馭球、包世華 .《結(jié)構(gòu)力學(xué)教程》. 高等教育出版社 , 2001.1 [3] 李治彬 .《海洋工程結(jié)構(gòu)》 . 哈爾濱工程大學(xué)出版社 ， 1999.3 [4] 聶武、孫麗萍、李治彬 .《海洋工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》. 哈爾濱工程大學(xué)出版社 ，1994.12 [5] 聶武、劉玉秋 .《海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析》 . 哈爾濱工程大學(xué)出版社 ，2002.4 [6] 董勝、孔令雙 .《海洋工程環(huán)境概論》. 中國(guó)海洋大學(xué)出版社 ， 2005.4 [7] 劉相新、孟憲頤 .《ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程》. 科學(xué)出版社，2006 [8] 中國(guó)船級(jí)社 .《淺海固定平臺(tái)規(guī)范》. 2003， 第二篇2-6節(jié) [9] ABS 《RULES FOR BUILDING AND CLASSING MOBILE OFFSHORE DRILLING UNITS》 . 2006 [10] James David Stear.A Simplified Structural Assessment Method for Jacket-Type Platforms in Seismically-Active Regions.University of California at Berkeley.Spring1999. [11] 王永崗 . 埕島海域單井平臺(tái)有限元結(jié)構(gòu)分析與安全評(píng)估 .煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào) ,2004年7月. 第17卷第3期：218－224 三、研究?jī)?nèi)容 1． 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（或技術(shù)） 1． 平臺(tái)選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定； 2． 學(xué)習(xí)ANSYS在海洋工程中的運(yùn)用； 3． 環(huán)境載荷計(jì)算及各工況載荷的組合； 4． 建立ANSYS模型； 5． 對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力強(qiáng)度校核； 6． 樁基承載力計(jì)算。 關(guān)鍵技術(shù)：ANSYA程序的使用 2．?dāng)M采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析 以CCS推薦的海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法作為設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，參考其他文獻(xiàn)中關(guān)于海洋環(huán)境和導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)的描述，結(jié)合自己掌握的理論知識(shí)，用CAD進(jìn)行基本圖紙的繪制，借助有限員軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，設(shè)計(jì)出合乎規(guī)范要求的井組計(jì)量平臺(tái)。 四、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排 起止時(shí)間 主要內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 1周～3周 4周～5周 6周～8周 9周～10周 11周～12周 12周～13周 13周～14周 收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料 確定環(huán)境條件和相關(guān)規(guī)范 計(jì)算平臺(tái)環(huán)境載荷 學(xué)習(xí)ANSYS基本操作 利用ANSYS建立平臺(tái)模型 進(jìn)行平臺(tái)靜、動(dòng)力分析，校核強(qiáng)度 地基承載力計(jì)算 了解海洋工程現(xiàn)狀 了解相關(guān)規(guī)范 計(jì)算平臺(tái)環(huán)境載荷 學(xué)習(xí)ANSYS基本操作 建立數(shù)學(xué)模型 進(jìn)行各種分析 計(jì)算地基承載力 五、審核意見(jiàn) 導(dǎo)師意見(jiàn) 該設(shè)計(jì)方案選題合理，總體思路清晰，內(nèi)容完備，方法科學(xué)可行，進(jìn)度安排合適,參考文獻(xiàn)齊備，理論與實(shí)踐聯(lián)系緊密，設(shè)計(jì)方案可行。 導(dǎo)師簽字: 年 月 日 審核小組意見(jiàn) 審核小組成員簽字： 年 月 日 注：1、表格不夠可加附頁(yè)。 2、審核小組應(yīng)至少由三位具有高級(jí)職稱的教師組成；必要時(shí)可召集開(kāi)題報(bào)告會(huì)。 4 指導(dǎo)教師評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)閱表 (理、工、農(nóng)、醫(yī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)用表) 學(xué)生姓名 院（系、中心） 專(zhuān)業(yè)年級(jí) 論文（設(shè)計(jì)）題目 淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（A級(jí)） 滿分 評(píng) 分 A B C D E 選題質(zhì)量 選題符合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；題目具有適當(dāng)難度，有一定的理論意義或?qū)嶋H意義 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 文獻(xiàn)資料利用能力 能獨(dú)立地利用多種方式查閱中外文獻(xiàn)；能正確翻譯外文資料；能正確有效地利用各種文獻(xiàn)資料 10 10 9 8 7 ≤6 實(shí)驗(yàn)研究能力 研究方案設(shè)計(jì)合理；實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)；技術(shù)路線可行；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠；計(jì)算正確；理論分析合乎邏輯；動(dòng)手能力強(qiáng)；能獨(dú)立完成研究任務(wù)；研究結(jié)果客觀真實(shí)；能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問(wèn)題 20 19-20 17-18 15-16 13-14 ≤12 論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)；語(yǔ)言文字表達(dá)準(zhǔn)確、流暢；格式、圖、表規(guī)范；有一定的學(xué)術(shù)水平或應(yīng)用價(jià)值 30 28-30 25-27 22-24 19-21 ≤18 創(chuàng)新能力 體現(xiàn)較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)；應(yīng)用新理論、新方法，解決新問(wèn)題；工作有獨(dú)到見(jiàn)解或新突破 10 10 9 8 7 6 工作態(tài)度和工作量 工作認(rèn)真主動(dòng)；作風(fēng)扎實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)；工作量飽滿；圓滿完成了任務(wù)書(shū)所規(guī)定的各項(xiàng)任務(wù) 10 10 9 8 7 6 總分 是否同意將該論文（設(shè)計(jì)）提交答辯：是（ ）否（ ） 具體評(píng)閱意見(jiàn)： 指導(dǎo)教師（簽名）________________ 年 月 日 指導(dǎo)教師姓名 職稱或?qū)W位 工作單位 主要講授課程/研究方向 注：1、請(qǐng)參照A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)論文（設(shè)計(jì)）分項(xiàng)打分，并填寫(xiě)在相應(yīng)項(xiàng)目評(píng)分欄中。 2、計(jì)算出總分。若總分<60分，或“選題質(zhì)量”<12分或“論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量”<18分，不能提交答辯；該論文（設(shè)計(jì)）須限期修改合格后重新評(píng)閱和申請(qǐng)答辯。 3、具體評(píng)閱意見(jiàn)欄不夠用時(shí)可另附頁(yè)。 答辯記錄及成績(jī)?cè)u(píng)定表 答辯人姓名 院（系、中心） 專(zhuān)業(yè) 年級(jí) 論文（設(shè)計(jì)）題目：淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（A級(jí)） 滿分 具 體 評(píng) 分 A B C D E 論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，邏輯性強(qiáng)；文字表達(dá)準(zhǔn)確流暢；條理清楚，重點(diǎn)突出；格式、圖、表規(guī)范；具有一定的學(xué)術(shù)水平或?qū)嶋H價(jià)值 50 46-50 41-45 36-40 31-35 ≤30 論文（設(shè)計(jì)）報(bào)告、講解情況 概念清楚，思路清晰；表達(dá)準(zhǔn)確，重點(diǎn)突出，詳略得當(dāng)；報(bào)告時(shí)間符合要求 20 19-20 17-18 -15-16 13-14 ≤12 答辯表現(xiàn) 思維敏捷，語(yǔ)言流暢，回答問(wèn)題準(zhǔn)確，有專(zhuān)業(yè)深度；儀態(tài)端莊，精神風(fēng)貌好 30 28-30 25-27 22-24 19-21 ≤18 總 分 答辯中提出的主要問(wèn)題及回答的簡(jiǎn)要情況： 表4-1，4-2需重新編輯 樁基承載力的計(jì)算有不完善的地方 答：考慮到在樁基側(cè)向承載力計(jì)算上關(guān)于樁變形的問(wèn)題還不太成熟，所以并沒(méi)有考慮樁基側(cè)向承載力的計(jì)算 關(guān)于平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)分析應(yīng)給出相應(yīng)的數(shù)值的變化范圍 答：有簡(jiǎn)單交待，但不是很完善 答辯日期： 年 月 日 答辯秘書(shū)簽字： 答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)： 答辯委員會(huì)成員（簽名）： 答辯委員會(huì)主任（簽名）： 年 月 日 論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定等級(jí)： 院（系）學(xué)位委員會(huì)主席（簽名）： 年 月 日 注：1、參照表中A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定各項(xiàng)目具體得分，并計(jì)算出答辯成績(jī)總分。 2、按指導(dǎo)教師評(píng)分×50%＋答辯得分×50%,計(jì)算出百分制成績(jī)，再按90-100分為優(yōu)、80-89分為良、70-79分為中、60-69分為及格、<60分為不及格，給出成績(jī)等級(jí)。 3、表格不夠可加附頁(yè)。 中國(guó)海洋大學(xué)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)教師工作記錄 指導(dǎo)教師姓名 楊永春 職稱 教授 工作單位 中國(guó)海洋大學(xué) 學(xué)生姓名 朱烽 院(系、中心) 工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)年級(jí) 2003級(jí) 論文（設(shè)計(jì)）題目：淺海井組計(jì)量平臺(tái) 工作期間 具體指導(dǎo)內(nèi)容 1.20 布置設(shè)計(jì)題目，指導(dǎo)接下來(lái)要做的工作，要查的內(nèi)容。 3.19 檢查假期里的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備和資料收集情況， 3.26 指導(dǎo)確定平臺(tái)類(lèi)型和尺寸 4.2 講解有限元單元類(lèi)型的選擇 4.9 指導(dǎo)平臺(tái)在建模過(guò)程中將樁和導(dǎo)管架等效成一根。討論樁和導(dǎo)管分別建模的弊端。 4.10 了解在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，并會(huì)在第二日解決 4.18 對(duì)上一階段的工作進(jìn)行檢查，并要求接下來(lái)做動(dòng)力分析。 解決風(fēng)載荷、冰載荷在計(jì)算時(shí)不同規(guī)范計(jì)算結(jié)果不同的問(wèn)題。 4.20 在進(jìn)行殼單元建模時(shí)，4節(jié)點(diǎn)與8節(jié)點(diǎn)的區(qū)別。 4.23 例行檢查，布置下周工作 4.28 確定平臺(tái)最終型式 5.10 中期檢查，提出樁入土深度的確定應(yīng)由樁基承載力的計(jì)算確定 5.14 確定翻譯應(yīng)是一萬(wàn)漢字。要求在接下來(lái)把設(shè)計(jì)初稿完成。 5.19 要求進(jìn)行樁基承載力的計(jì)算，5.30之前把所有工作進(jìn)行完。 5.30 檢查畢業(yè)設(shè)計(jì)完成情況，指出設(shè)計(jì)中不完善的地方 6.10 檢查答辯PPT，進(jìn)行預(yù)答辯，并指出答辯中存在的問(wèn)題 注：表格不夠，可另加附頁(yè) 指導(dǎo)教師（簽名）_________________ 學(xué)生（簽名）________________ 年 月 日 年 月 日 淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì) 摘 要 海洋開(kāi)發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開(kāi)發(fā)中，各國(guó)廣泛采用導(dǎo)管架平臺(tái)。本文以 渤海地區(qū)的自然環(huán)境條件為設(shè)計(jì)依據(jù)，論述了該環(huán)境條件情況下井組計(jì)量平臺(tái) 的的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括平臺(tái)選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定，環(huán)境載荷計(jì)算及各 工況載荷的組合，建立 ANSYS 模型，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力強(qiáng)度校核，地基承載 力計(jì)算等幾個(gè)方面。 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使有限元法在工程中得到了廣泛的運(yùn)用。有 限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特征問(wèn)題的數(shù)值解法，運(yùn) 用有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，即將求解結(jié)構(gòu)看成由很多稱為互連子結(jié)構(gòu)組成，對(duì) 每一個(gè)單元假設(shè)一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)該問(wèn)題的滿足條件，從而得到問(wèn) 題的解。作為新一代有限元分析軟件的代表，ANSYS 抓住了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì) CAE 技術(shù)提出的新要求，具有強(qiáng)大的非線性分析功能。 關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；導(dǎo)管架；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；ANSYS The Design of Petroleum Measures Jacket Platform in Shallow Sea Abstract Jacket platform is one of most popular platform types when exploring oil in the shallow areas of the sea.This paper described the design process of a jacket platform according to the usage and the environment condition of Bohai.All the steps included the dimension design of the platform;calculation of the loads resulted from the wind,wave,current and ice;statics and dynamics analysis;strength verifying of the jacket and foundation. Accorrding to the quick development of computer technology,FEA is made extensive application in engineering. ANSYSA is a powerful engineering software, which solve the problems of structure with the finite element method,and regard the whole structure as the unit of many intterrelate substructure,presumes an answer for each element,then deduces the qualification of the whole,and ulimately get the entire answer for the whole. Because the software of ANSYS has the characteristics such as model building simply,fast and conveniently,it becomes the representative of large universal finite element procedure.In terms of composing and function,ANSYS is really an efficient tool in engineering and it plays an important role in static and dynamics analyse. Key words: offshore platform ; jacket;finite elemet method ; structural strength ; ANSYS 3 目 錄 第一章 前言 ......................................................1 1.1 國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r .........................................1 1.2 我國(guó)海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 .........................................2 第二章 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù) .....................................4 2.1 環(huán)境條件 .....................................................4 2.2 設(shè)計(jì)依據(jù) .....................................................5 第三章 平臺(tái)選型和主尺度 ........................................6 第四章 環(huán)境條件計(jì)算 ............................................7 4.1 風(fēng)載荷 ........................................................7 4.1.1 計(jì)算公式 ...................................................7 4.1.2 計(jì)算結(jié)果 ..................................................8 4.2 冰載荷 .......................................................10 4.2.1 計(jì)算公式 ..................................................10 4.2.2 計(jì)算結(jié)果 .................................................10 4.3 波浪、流載荷 .................................................11 4.3.1 計(jì)算公式 .................................................11 4.3.2 計(jì)算結(jié)果 .................................................11 4.4 甲板設(shè)備載荷 .................................................11 4.5 工況和載荷組合 ...............................................12 4.5.1 波流工況 .................................................12 4.5.2 海冰工況 .................................................12 第五章 建立數(shù)學(xué)模型及 ANSYS 程序和單元的相關(guān)說(shuō)明 ...........13 5.1 有限元法基本思路 ............................................13 5.2 ANSYS 有限元分析軟件概況： ...................................13 5.3 單元特性 ....................................................13 5.3.1 Beam188 單元特性 ........................................13 5.3.2 Pipe16 單元特性 ..........................................14 5.3.3 Pipe59 單元特性 ..........................................15 5.3.4 MASS21 單元特性 ..........................................16 5.4 建立模型 ....................................................17 5.4.1 建模準(zhǔn)備工作 ............................................17 5.4.2 建模步驟 ................................................18 第六章 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)靜力分析 ..................................24 4 6.1 平臺(tái)位移 ....................................................24 6.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 ................................................26 第七章 動(dòng)力學(xué)分析 ..............................................33 7.1 模態(tài)分析 ....................................................33 7.2 平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析 ............................................35 7.2.1 阻尼系數(shù) 、 求解 .....................................35 7.2.2 動(dòng)力計(jì)算（瞬態(tài)計(jì)算）結(jié)果 ................................35 第八章 樁基承載力計(jì)算 .........................................40 8.1 軸向承載力計(jì)算： ............................................40 8.1.1 計(jì)算公式 ................................................40 8.1.2 計(jì)算結(jié)果 ................................................44 8.2 軸向樁基承載力校核 ..........................................45 總結(jié) ..............................................................46 參考文獻(xiàn) .........................................................47 附錄 ..............................................................48 5 第一章 前言 隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大。陸 地上的油氣資源經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期大規(guī)模的開(kāi)發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開(kāi)發(fā)漸 漸轉(zhuǎn)向了資源豐富的海洋，并形成了投資高、風(fēng)險(xiǎn)大并且高新技術(shù)密集的海洋 工程產(chǎn)業(yè)。海洋石油開(kāi)發(fā)是海洋資源開(kāi)發(fā)利用的一部分。目前世界上己有 39 個(gè) 國(guó)家(或地區(qū) )從事近海石油開(kāi)發(fā)，22 個(gè)國(guó)家(或地區(qū))從事近海天然氣開(kāi)發(fā)。 我國(guó)海域遼闊，其中大陸架面積約有 110 萬(wàn)平方公里，渤海，黃海，東海 和南海都有大面積的沉積盆地，其中具有油氣勘探價(jià)值的面積在 60 萬(wàn)平方公里 以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。預(yù)測(cè)的石油儲(chǔ)量達(dá) 250 億噸，這是我 國(guó)海上石油天然氣開(kāi)發(fā)的豐富資源基礎(chǔ)。我國(guó)從 1957 年便已開(kāi)始進(jìn)行海洋石油 勘探開(kāi)發(fā)，從 1979 年實(shí)行改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的海上石油開(kāi)發(fā)更是進(jìn)入高速發(fā) 展期，到 2000 年生產(chǎn)能力已達(dá)到 2000 萬(wàn)噸：預(yù)計(jì)到 2005 年，我國(guó)的海上原油 生產(chǎn)能力會(huì)達(dá)到 4000 萬(wàn)噸。目前海洋石油己成為我國(guó)重要的原油生產(chǎn)基地。 在海洋開(kāi)發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開(kāi)發(fā)中，各國(guó)廣泛采用導(dǎo)管架平臺(tái)。導(dǎo)管 架平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：(1) 平臺(tái)的支承結(jié)構(gòu)是以圓鋼管為主要構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)，因 此結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。(2) 由于樁是通過(guò)導(dǎo)管架腿柱打入海床，因此在惡劣的海 洋環(huán)境中，樁打的準(zhǔn)、打的直。(3)打樁作業(yè)大大簡(jiǎn)化，保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn) 定性。(4)平臺(tái)可以在陸上分塊預(yù)制，海上組裝，保證施工質(zhì)量，節(jié)約投資。(5) 導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)、制造及安裝技術(shù)成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多，適用性強(qiáng)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，SAP、MSC/NASTRAN、ANSYS 等各種結(jié)構(gòu) 分析軟件被廣泛的應(yīng)用到平臺(tái)及導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算中，并且發(fā)揮了重要 的作用。其中，ANSYA 作為世界著名的美國(guó) ANSYS 軟件公司的最具盛名的 CAE 軟件，其在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用更為通用廣泛，它提供了支持圓管形構(gòu)件 的流體靜力、動(dòng)力效應(yīng)的 Pipe59 單元，能夠有效模擬海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)， 計(jì)算構(gòu)件在海水中受浮力、波浪力、流力等載荷的影響。在淺海平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研 究和設(shè)計(jì)中，ANSYS 已經(jīng)得到成功的運(yùn)用。 1.1 國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r 6 世界石油開(kāi)發(fā)的歷史已有 200 多年， 19901995 年間，除美國(guó)以外全世 界共安裝了 703 座平臺(tái)，其中 83 座為半潛式、張力腿式和可移動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)，41 各國(guó)家安裝了 370 多座水深不超過(guò) 60m 的淺水平臺(tái)。 長(zhǎng)期以來(lái)，樁基導(dǎo)管架平臺(tái)是世界海洋石油生產(chǎn)中采用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。 以墨西哥灣海域的平臺(tái)發(fā)展為例，1978 年建造的“Cognac”鉆井平臺(tái)以極端的 颶風(fēng)載荷控制設(shè)計(jì)，導(dǎo)管架分三段建造；1981 年水深 285m 的“Cerveza”平臺(tái) 則使用更為先進(jìn)的整體制造，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)且成本大大降低。而北海的環(huán)境條件 比墨西哥灣還要惡劣很多，海水腐蝕也更為嚴(yán)重，1974 年建造的一座平臺(tái)，其 導(dǎo)管架所有的樁基在四角上，除主樁腿外周?chē)执蛉霐?shù)根環(huán)繞樁，以增大抗傾 覆能力。 1.2 我國(guó)海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)海域遼闊，大陸架面積約有 110 萬(wàn)平方公里，管轄海域近 300 萬(wàn)平方 公里。為開(kāi)發(fā)利用海洋，我們建設(shè)了大量的海洋工程，其中用于油氣開(kāi)發(fā)的海 洋平臺(tái) 100 多座。海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐時(shí) 時(shí)作用于結(jié)構(gòu)，同時(shí)還受到地震和海嘯的威脅。從 1966 年渤海建造第一座鋼質(zhì) 鉆井平臺(tái)到 1980 年對(duì)外合作勘探開(kāi)發(fā)的 15 年里，我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造了 11 座固 定式鉆井平臺(tái)、7 座固定式平臺(tái)、1 座自升式平臺(tái)、1 座單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和 3 艘工 程船舶。 雖然我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)較晚，但近年來(lái)通過(guò)對(duì)外合作，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)， 加上自己研究開(kāi)發(fā)，已在該領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。2004 年，國(guó)內(nèi)最大石油平 臺(tái)渤海南堡 352 油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目平臺(tái)組塊建造工程開(kāi)工，南堡 352CEP/WHPB 平臺(tái)總重達(dá)到了 12000 多噸。其中 CEP 平臺(tái)組塊長(zhǎng) 64 米、寬 59 米、高 20.6 米，重達(dá) 8000 余噸，WHPB 平臺(tái)也達(dá)到了 4000 噸。 本文介紹了淺海 9 米水深海上石油計(jì)量導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括以下 幾方面內(nèi)容： 1 學(xué)習(xí) ANSYS 在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用； 2 平臺(tái)選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定； 3 環(huán)境載荷計(jì)算及各工況載荷的組合； 7 4 建立 ANSYS 模型； 5 對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力強(qiáng)度校核； 6 地基承載力計(jì)算 8 第二章 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù) 2.1 環(huán)境條件 設(shè)計(jì)水深： 9 米 潮位以黃海平均海平面為基準(zhǔn) 校核高水位（50 年重現(xiàn)期）： 3.08 米 設(shè)計(jì)高水位： 1.48 米 設(shè)計(jì)低水位： -0.69 米 校核低水位： -2.32 米 波浪： 風(fēng)浪為主，涌浪次之，強(qiáng)浪向 NNE-ENE 校核高水位最大可能波高： 7.2 米 對(duì)應(yīng)波浪周期： 8.6 秒 設(shè)計(jì)高水位最大可能波高： 6 米 對(duì)應(yīng)波浪周期： 8.6 秒 海流： 方向：ESE，WNW 最大可能流速： 1.6m/s 最大實(shí)測(cè)流速： 0.98 m/s 風(fēng)： 強(qiáng)風(fēng)向：NW-NNW，NNE-ENE 風(fēng)速： 冰作用下，設(shè)計(jì)風(fēng)速 28m/s 波浪作用下，設(shè)計(jì)風(fēng)速 51.5m/s 海冰： 設(shè)計(jì)冰厚（50 年一遇）： 0.45m 抗壓強(qiáng)度： 2244kPa 腐蝕和磨損： 飛濺區(qū)構(gòu)件腐蝕裕量： 3mm 飛濺區(qū)定義標(biāo)高： -2.69m+5.84m 冰接觸區(qū)構(gòu)件磨損量： 1mm 9 冰接觸區(qū)標(biāo)高： -1.14m+1.93m 地質(zhì)資料： 表 2.1 地基土壤的物理學(xué)性質(zhì) 土壤 層號(hào) 土壤 名稱 深度 m 水下容重 KN/m3 剪切強(qiáng)度 C(Kpa) 摩擦角 （度） 1 非常軟的粘土 02 5.0 3.0 粉砂質(zhì)粘土 24 7.0 8.0 45.15 8.5 40.02 5.157.55 8.0 18.0 3 細(xì)砂 7.5511.35 8.5 0 30 4 硬的細(xì)砂質(zhì)粘土 11.3515.25 10.0 80.0 5 粉砂 15.2518.3 10.5 25 6 粉砂質(zhì)細(xì)砂 18.323.4 10.0 30 7 粉砂質(zhì)粘土 23.427.8 10.0 50.0 8 粉砂 27.831.1 9.0 30 2.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 平臺(tái)用途和主要功能： 本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)管架平臺(tái)為淺海井組計(jì)量平臺(tái)，包括甲板、導(dǎo)管架、樁基 等部分。平臺(tái)上部設(shè)備總重量為 200 噸。 平臺(tái)用鋼材： 平臺(tái)所用鋼材為：樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架均用 ，甲板使用 Q-235-A。按照規(guī)范32D 要求， 鋼材的屈服應(yīng)力為 315Mpa，許用應(yīng)力取 189 Mpa；Q-235-A 鋼材的32D 屈服應(yīng)力為 235 Mpa，許用應(yīng)力取 141 Mpa。 使用年限： 平臺(tái)的使用年限為 15 年。 依據(jù)規(guī)范： 中國(guó)船級(jí)社淺海固定平臺(tái)規(guī)范 （2003） 10 11 第三章 平臺(tái)選型和主尺度 設(shè)計(jì)要求：平臺(tái)甲板面積 17m12m，承載能力 200t。 考慮環(huán)境條件，決定采用摩擦樁基礎(chǔ)四腿導(dǎo)管架平臺(tái)： 平臺(tái)甲板高程：9.00 m 工作點(diǎn)高程： 5.50 m 導(dǎo)管架尺寸：上部工作點(diǎn)處（EL+5.50m）為 9m8m 底部（EL-9.00m ）為 11.9m10.9m 樁腿導(dǎo)管直徑為 134025，斜度為 1/10。 導(dǎo)管架設(shè) 3 層水平橫撐，潮差帶不設(shè)斜撐，水平外圍橫撐與斜撐尺寸均為 61020，水平內(nèi)圍橫撐尺寸為 40020。 導(dǎo)管架底部設(shè)置防沉板，防沉板厚度為 8 mm。 選取摩擦樁樁徑為 1.2m，則根據(jù) CCS 規(guī)范鋼管樁壁的最小厚度 t 按下式計(jì) 算： t=6.35+D/100 mm 式中 D 一樁徑，mm 則取樁壁厚為 30 mm t=6.35+1200/100=18.35 mm。 樁入土深度為 30m，總長(zhǎng)為 46.3m。 平臺(tái)甲板采用板、梁結(jié)構(gòu)，面積為 17m12m，甲板板厚為 8mm ，Y 向設(shè) 5 根主梁，X 向設(shè) 4 根，主梁為 60030025 工字梁。 表 3.1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)重量計(jì)算 名稱 截面面積（） 長(zhǎng)度 （m） 密度 數(shù)量 質(zhì)量（kg） 導(dǎo)管 134025 0.103 15.58 7800 4 50067.888 EL+4.00 水平外圍橫撐 0.037 7.23 7800 4 8346.312 EL-2.00 水平外圍橫撐 0.037 8.43 7800 4 9731.592 EL-9.00 水平外圍橫撐 0.037 9.83 7800 4 11347.752 EL+4.00 水平內(nèi)圍橫撐 0.024 5.43 7800 4 4065.984 EL-2.00 水平內(nèi)圍橫撐 0.024 6.27 7800 4 4694.976 EL-9.00 水平內(nèi)圍橫撐 0.024 7.27 7800 4 5443.776 斜撐 61020 0.037 7.34 7800 8 16946.592 12 合 110644.872 13 第四章 環(huán)境條件計(jì)算 本章分別計(jì)算風(fēng)浪、風(fēng)冰兩種工況下 X 和 Y 向的載荷。 4.1 風(fēng)載荷 4.1.1 計(jì)算公式 作用于平臺(tái)上的風(fēng)載荷按下式計(jì)算： 式 4.1 式中 p風(fēng)壓； A結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的投影面積。 載荷作用在上述投影面積的形心位置。 其中，結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)壓為： 式 4.2 為基本風(fēng)壓，標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上 10m0p 式 4.3 式中 風(fēng)壓的高度系數(shù)；HC 構(gòu)件的形狀系數(shù)。S 、 取值見(jiàn)表 4.1 和表 4.2 H 表 4.1 高度系數(shù) 表 4.2 形狀系數(shù) h(m) CH 構(gòu)件形狀 Cs 015.3 1.00 球 0.4 15.330.5 1.10 圓柱 0.5 30.546.0 1.20 大平板 1.0 46.061.0 1.30 鉆井架 1.25 61.076.0 1.37 甲板以下暴露的梁和桁材 1.3 76.091.5 1.43 孤立結(jié)構(gòu) 1.5 其中 h（m）為構(gòu)件距離海平面的高度 FpA2201.63pvg0HSCPa 14 4.1.2 計(jì)算結(jié)果 表 4.3 風(fēng)、浪、流工況下 X 向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：( 風(fēng)速 51.5m/s) 名稱 底部位置 b 或 r h Ch Cs P0 P（Pa ） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9.0 13 5 1 1 1625.83 1625.83 105.679 11.50 1215.308 主梁 8.2 17 0.8 1 1 1625.83 1625.83 22.111 8.60 190.157 連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 1625.83 812.915 3.414 7.25 24.753 樁腿 5.0 1.2 0.5 1 1 1625.83 812.915 0.487 5.25 2.560 導(dǎo)管架 0 1.34 5 1 1 1625.83 812.915 5.473 2.51 13.752 導(dǎo)管架橫撐 4.0 0.61 8.2 1 1 1625.83 812.915 4.082 4 16.328 合 141.248 合 1462.860 合力作用點(diǎn)高度 =1462.860/141.248=10.35m 等效載荷： F=141.248kN M=141.248X(10.13-9)=160.175kN*M 作用點(diǎn)距靜水面 9 米 表 4.4 風(fēng)、浪、流工況下 Y 向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速 51.5m/s） 名稱 底部位置 b 或 r h Ch Cs P0 P（Pa） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9.0 9 5 1 1 1625.83 1625.83 73.162 11.5 841.367 主梁 8.2 12 0.8 1 1 1625.83 1625.83 15.607 8.6 134.228 連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 1625.83 812.915 3.414 7.25 24.753 樁腿 5.0 1.2 0.5 1 1 1625.83 812.915 0.487 5.25 2.560 導(dǎo)管架 0 1.34 5.025 1 1 1625.83 812.915 5.473 2.51 13.752 導(dǎo)管架橫撐 4.0 0.61 8.232 1 1 1625.83 812.915 4.082 4 16.328 合 102.228 合 1032.991 合力作用點(diǎn)高度=1032.991/102.228=10.10m 等效載荷 F=102.228kN M=102.228X(10.10-9)=112.450kN*m 作用點(diǎn)距靜水面 9 米 表 4.5 風(fēng)、冰、流工況下 X 向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速 28m/s） 名稱 底部位置 b 或 r h Ch Cs P0 P（Pa） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 15 工作間 9 13 5 1 1 480.6 480.59 31.238 11.5 359.241 主梁 8.2 17 0.8 1 1 480.6 480.59 6.536 8.6 56.209 .連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 480.6 240.295 1.009 7.25 7.316 樁腿 5 1.2 0.5 1 1 480.6 240.295 0.144 5.25 0.756 導(dǎo)管架 0 1.34 5.025 1 1 480.6 240.295 1.618 2.5125 4.065 導(dǎo)管架橫撐 4 0.61 7.228 1 1 480.6 240.295 1.059 4 4.237 合 41.605 合 431.828 合力作用點(diǎn)高度=431.828/41.605=10.38m 等效載荷 F=41.605kN M=41605.3X(10.38-9)=57.415kN*m 作用點(diǎn)距靜水面 9 米 表 4.6 風(fēng)、冰、流工況下 Y 向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速 28m/s） 名稱 底部位置 b 或 r h Ch Cs P0 P（Pa ） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9 9 5 1 1 480.59 480.59 21.626 11.5 248.705 主梁 8.2 12 0.8 1 1 480.59 480.59 4.613 8.6 39.677 連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 480.59 240.295 1.009 7.25 7.316 樁腿 5 1.2 0.5 1 1 480.59 240.295 0.144 5.25 0.756 導(dǎo)管架 0 1.34 5.025 1 1 480.59 240.295 1.618 2.5125 4.065 導(dǎo)管架橫撐 4 0.61 7.228 1 1 480.59 240.295 1.059 4 4.237 合 30.071 合 304.760 合力作用點(diǎn)高度=304.760/30.071=10.134m 等效載荷 F=30.071kN M=30071.14X(10.134-9)=34.100kN*M 作用點(diǎn)距靜水面 9 米 注：為了在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算并且減少應(yīng)力集中，根據(jù)力的平移法則， 將風(fēng)載等效為一個(gè)集中力加一個(gè)彎矩，作用于導(dǎo)管架頂部，作用點(diǎn)距靜水面 9 米。 表格中“底部位置”均指構(gòu)件底部距海平面的距離， “合力作用點(diǎn)高度”亦 是指合力作用點(diǎn)距海平面的高度。 16 4.2 冰載荷 4.2.1 計(jì)算公式 作用于平臺(tái)上的冰載荷按下式計(jì)算： 式 4.4bhRKmPe21 式中： 樁柱形狀系數(shù)，對(duì)圓截面柱采用 0.9；m 局部擠壓系數(shù)；1K 樁柱與冰層的接觸系數(shù)；2 樁柱寬度（或直徑） ；b 冰層計(jì)算厚度。h 4.2.2 計(jì)算結(jié)果 根據(jù) CCS 規(guī)范擠壓系數(shù) K1=2.5；接觸系數(shù) K2=0.45； 由環(huán)境條件： 2244kPa ；eR 由圖紙資料：b=1.34m h=0.45m。 則單個(gè)樁腿所受的冰載荷為： 0.92.50.451.340.452244=1370kNP 考慮群樁產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)和堵塞作用，受遮蔽的樁腿受到的冰載荷為： 0.3 13700.3411 kN 根據(jù) CCS 規(guī)范，當(dāng)樁腿之間距離 L8D 時(shí)不考慮“群樁效應(yīng)” ，D 為樁的直徑。 有 8D=81.29.6m 依據(jù)圖紙，側(cè)向樁泥線處最小間距為 11.2m9.6m，所以不考慮“群樁效應(yīng)” 。 4.3 波浪、流載荷 4.3.1 計(jì)算公式 對(duì)小尺度圓形構(gòu)件，垂直于其軸線方向單位長(zhǎng)度上的波浪力 ， 當(dāng)f D/L0.2（D 為圓形構(gòu)件直徑，m；L 為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)， m）時(shí)，可按 Morison 公式 17 計(jì)算： N/m 式 4.5uDCufMD2421 式中： 海水密度， kg/m3 ； 垂直于構(gòu)件軸線的阻力系數(shù)。必要時(shí)，應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定。在DC 實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件可取 =0.61.0；DC 慣性力系數(shù)，應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定，在實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形M 構(gòu)件可取 2.0； 水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的速度分量，m/s， 為u u 其絕對(duì)值，當(dāng)海流和波浪聯(lián)合對(duì)平臺(tái)作用時(shí)， 為水質(zhì)點(diǎn)的波浪速u(mài) 度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量； 水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的加速度分量，m/s 2。u 當(dāng)只考慮海流作用時(shí)，圓形構(gòu)件單位長(zhǎng)度上的海流載荷 按下式計(jì)算：Df N/m 式 4.621CDAUf 式中： 阻力系數(shù)；DC 海水密度， kg/m3； 設(shè)計(jì)海流速度，m/s ；CU 單位長(zhǎng)度構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積，m 2/m。A 設(shè)計(jì)海流速度采用平臺(tái)使用期間可能出現(xiàn)的最大流速。 4.3.2 計(jì)算結(jié)果 在 ANSYS 程序中，提供了支持圓管形構(gòu)件的流體靜力、動(dòng)力效應(yīng)的 Pipe59 單元，能夠有效模擬海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，所以需要在 ANSYS 模型建立 之后，將有關(guān)波浪和海流參數(shù)填入 water table 表格中，程序?qū)⒏鶕?jù)所選用的波 浪理論對(duì)使用了 Pipe59 單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行波浪力及流力的計(jì)算。 考慮到所給出的環(huán)境資料（H/d0.2） ，選用斯托克斯五階波進(jìn)行計(jì)算，斯托 18 克斯五階波相關(guān)公式如下： 波面方程為： 式 4.7 迭代求 L、 方程為： 式 4.8 其中 為深水波長(zhǎng)0L 式 4.9 速度勢(shì)方程為： 式 4.10 相位角為： 式 4.11 波形系數(shù)： 速度勢(shì)函數(shù)： 其中 、 、 、為系數(shù)。iAiBiC 4.4 甲板設(shè)備載荷 該平臺(tái)為石油計(jì)量平臺(tái)，其設(shè)備總重約為 200 噸，計(jì)算時(shí)甲板載荷等效為 4 個(gè)各 50 噸的質(zhì)量單元，作用于樁腿頂端的節(jié)點(diǎn)之上；平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自重通過(guò)輸 入 z 軸方向的重力加速度（9.8m/ ）由 ANSYS 程序自動(dòng)生成。2s 4.5 工況和載荷組合 3535241201 /() )HBBdLthkdCL51cos()niyk51()sin(niLchkydkTxt 124235345yBy 24113152323545()AyA20g 19 4.5.1 波流工況 1）X 方向上（0方向） ，波浪力+海流力+ 風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 2）Y 方向上（90方向） ，波浪力+海流力+ 風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 4.5.2 海冰工況 1）X 方向上（0方向） ，冰力+海流力+ 風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 2）Y 方向上（90方向） ，冰力+海流力+ 風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 20 第五章 建立數(shù)學(xué)模型及 ANSYS 程序和單元的相關(guān)說(shuō)明 5.1 有限元法基本思路 有限元法是一種利用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特征問(wèn)題的數(shù)值解 法，其基本思路是： 1.把很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為若干個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元，這些單元一般要小到可 以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述特征參數(shù)在其中的分布，這一過(guò)程即離散。 2.通過(guò)對(duì)單元的分析來(lái)建立各特征參數(shù)之間的關(guān)系方程，即單元分析。彈 性力學(xué)中，單元分析的任務(wù)是建立聯(lián)系應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)位移分量的方程，同時(shí)研究 單元的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，以及把作用在單元中間的外載荷轉(zhuǎn)化為 節(jié)點(diǎn)載荷。 3.在單元分析的基礎(chǔ)上，利用平衡條件和連續(xù)條件將各個(gè)單元拼裝成整體 結(jié)構(gòu)。對(duì)整體在確定邊界條件下進(jìn)行分析，從而得到整體的參數(shù)關(guān)系方程，即 整體矩陣方程。這一過(guò)程為整體分析。 4.求解整體矩陣方程，即可得到各種參數(shù)在整體結(jié)構(gòu)中的分布。 5.2 ANSYS 有限元分析軟件概況： 1970 年 Dr .John A.Swanson 成立了 Swanson Analysis System，Inc.(SASI) ， 后經(jīng)重組改稱 ANSYS 眾司。 ANSYS 是世界 CAE 行業(yè)最著名的公司之一，其 總部位于美國(guó)賓西法尼亞州的匹茲堡。三十年來(lái)，ANSYS 公司一直致力于設(shè)計(jì) 分析軟件的開(kāi)發(fā)、維護(hù)以及售后服務(wù)等，并不斷吸取最新的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī) 技術(shù)，始終領(lǐng)導(dǎo)著國(guó)際分析仿真和優(yōu)化技術(shù)的新潮流，為全球工業(yè)界所認(rèn)同， 擁有十分廣泛的用戶群。 作為新一代有限元分析軟件的代表，ANSYS 抓住了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì) CAE 技術(shù)提出的新要求，即以廣泛的多物理場(chǎng)仿真分析的功能，承擔(dān)起虛擬樣機(jī)這 一設(shè)計(jì)核心的角色。ANSYS 軟件可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)藕合分析，具有強(qiáng)大的非 線性分析功能。它是一種可以實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一 體化大型 FEA 軟件，并可支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有平臺(tái)以及所有平 臺(tái)的并行計(jì)算。 21 5.3 單元特性 本文采用了以下 ANSYS 單元模型進(jìn)行計(jì)算： 5.3.1 Beam188 單元特性 Beam188 單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛 哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。 Beam188 是三維線性（ 2 節(jié)點(diǎn)）或者二次梁?jiǎn)卧Ｃ總€(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七 個(gè)自由度，自由度的個(gè)數(shù)取決于 KEYOPT(1)的值。當(dāng) KEYOPT(1)0（缺?。?時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的 x、y、z 方向的平動(dòng)和繞 x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) KEYOPT(1)=1 時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，這時(shí)引入了第七個(gè) 自由度（橫截面的翹曲） 。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和 /并非線性大 應(yīng)變問(wèn)題。 Beam188/beam189 可以采用 sectype、secdata、secoffset、secwrite 及 secread 定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及素性模型（不考慮橫截面子模型） 。這種單元類(lèi)型的截面可以是不同材料組成的組和截面。 5.3.2 Pipe16 單元特性 圖 5.1 Pipe16 單元模型 Pipe16 是一種單軸單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、和彎曲性能。 該單元在兩個(gè)結(jié) 點(diǎn)有 6 個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn) X，Y，Z 方向的平移和繞結(jié)點(diǎn) X，Y ，Z 軸的旋轉(zhuǎn)。 該單元基于三維梁?jiǎn)卧?BEAM4)，包含了根據(jù)對(duì)稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸進(jìn)行的 簡(jiǎn)化。 22 圖 5.1 描述顯示了該單元的幾何形狀，節(jié)點(diǎn)位置和坐標(biāo)系。單元的數(shù)據(jù)輸 入包括 2 個(gè)或 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，管的外部直徑(OD) 和管壁厚度(TKWALL)，應(yīng)力增量 系數(shù)(SIF) 與撓曲系數(shù)(FLEX)，內(nèi)部流體密度(DENSFL)，外部絕緣層密度 (DENSIN)與厚度 (TKIN)，允許侵蝕厚度(TKCORR)，絕緣表面積(AREAIN)， 管壁質(zhì)量(MWALL) ， 管的軸向剛度(STIFF) ，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的自旋頻率 (SPIN)，和各向同性材料性質(zhì)。 該單元的 X 軸為從 I 結(jié)點(diǎn)到 J 節(jié)點(diǎn)的方向。當(dāng)單元由 2 個(gè)結(jié)點(diǎn)組成時(shí)，單 元的 Y 軸被自動(dòng)設(shè)成平行于整體坐標(biāo)系的 X-Y 面。參見(jiàn)圖 16.1 PIPE16 幾何描 述。在單元平行于 Z 軸的情況下（或在 0.01%坡度范圍內(nèi)） ，該單元的 Y 軸是 與整體坐標(biāo)系的 Y 軸（如圖示）平行。用戶若想人為控制單元 X 軸的方向，需 定義第 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果使用了第 3 節(jié)點(diǎn)(K)，則 K 和 I、J 一起定義了一個(gè)包括 單元 X 軸和 Y 軸的平面 (如圖示)。繞管圓周的輸入與輸出位置定義為：若沿 單元 Y 軸，為 0 度；類(lèi)似的，沿 Z 軸，為 90 度。 應(yīng)力增量系數(shù)(SIF)影響彎曲應(yīng)力。若 KEYOPT(2) = 0，則應(yīng)力增量系數(shù)在 I(SIFI)節(jié)點(diǎn)和 J(SIFJ)節(jié)點(diǎn)末端輸入；若 KEYOPT(2) = 1，2，或 3，則軟件按照 T 形接頭自行計(jì)算并確定。當(dāng) SIF 的值小于 1.0 時(shí)取 1.0。撓曲系數(shù)(FLEX) 被分 為截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中從而生成一個(gè)計(jì)算彎曲剛度所需的修正轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。FLEX 的缺省直為 1.0，但也可以輸入任何一個(gè)正數(shù)。 單元的質(zhì)量可由管壁材料，外部絕緣體和內(nèi)部流體計(jì)算得到。絕緣體和流 體決定了單元的質(zhì)量矩陣。允許侵蝕厚度用來(lái)計(jì)算應(yīng)力。一個(gè)確定的管壁其質(zhì) 量是一個(gè)常數(shù)，不用考慮其計(jì)算值。一個(gè)非零的絕緣體面積是一常數(shù)，不用考 慮其計(jì)算值(有管壁外直徑和長(zhǎng)度得來(lái))。一個(gè)非零的剛度也是一常數(shù)，不考慮 管的軸向剛度。 5.3.3 Pipe59 單元特性 pipe59 單元是一種可承受拉、壓、彎作用，并且能夠模擬海洋波浪和水流 的單軸單元。單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度，即沿 x，y，z 方向的線位移及繞 X，Y，Z 軸的角位移。除了本單元的單元力包括水動(dòng)力和浮力效應(yīng)，單元質(zhì)量 包括附連水質(zhì)量和內(nèi)部水質(zhì)量，其余與單元 pipe16 相似。pipe59 還可以模擬纜 索單元，和 link8 相似。這個(gè)單元還適合剛度硬化和非線性大應(yīng)變問(wèn)題。 23 圖 5.2 Pipe59 單元模型 pipe59 輸入數(shù)據(jù)： 圖 5.2 給出了單元的幾何圖形、節(jié)點(diǎn)位置及坐標(biāo)系統(tǒng)。本單元輸入數(shù)據(jù)包 括：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，管外徑，壁厚以及一些荷載和慣性信息；各向同性材料屬性； 外部附著物（包括冰荷載和生物附著物） ；材料粘滯系數(shù)用來(lái)計(jì)算外部流體的雷 諾系數(shù)。 單元的 x 軸方向?yàn)?i 節(jié)點(diǎn)指向 j 節(jié)點(diǎn)，y 軸方向按平行 xy 平面自動(dòng)計(jì) 算，其他方向如上圖所示。對(duì)于單元平行與 z 軸的情況（或者斜度在 0.01以 內(nèi)） ， 圖 5.3 波、流作用方向 24 單元的 y 軸的方向平行與整體坐標(biāo)的 y 軸（如圖 5.3） 。被認(rèn)為為 0 度的單元的 外部環(huán)境輸入或輸出沿 y 軸分布，就和 90 度的單元的外部環(huán)境輸入或輸出沿 z 軸分布類(lèi)似。 KEYOPT(1)用來(lái)消除抗彎剛度將管單元轉(zhuǎn)換為纜索單元，如果構(gòu)件存在扭 轉(zhuǎn)，就可以用 KEYOPT(1)=2 來(lái)解決。KEYOPT(2) 可以定義質(zhì)量矩陣是團(tuán)聚質(zhì) 量矩陣還是一致質(zhì)量矩陣，可用于長(zhǎng)柔結(jié)構(gòu)，常用來(lái)分析帶扭轉(zhuǎn)的纜索結(jié)構(gòu)。 對(duì)于海浪，海流和水密度通過(guò) water motion table 輸入，如果不輸入，就不 會(huì)考慮水的作用。雖然文章中用“水”的不同性質(zhì)，事實(shí)上還可用于其他液體 性質(zhì)描述，不同的曳力系數(shù)和溫度數(shù)據(jù)也可以通過(guò)此表輸入。 此外，單元長(zhǎng)度不能為 0，此外，外徑必須大于 0，內(nèi)徑不能小于 0。水面 附近的單元長(zhǎng)度相對(duì)波浪長(zhǎng)度應(yīng)小。單元的兩個(gè)端點(diǎn)不能同時(shí)處于泥面以下， 并且如果積分點(diǎn)位于泥面以下，就會(huì)忽略水動(dòng)力。如果單元位于水平面上，可 以不考慮 PIPE59 Water Motion Table 作用。在用縮減法進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)， 應(yīng)當(dāng)注意。因?yàn)檫@種分析會(huì)忽略單元上的荷載向量。 5.3.4 MASS21 單元特性 MASS21 是一個(gè)具有六個(gè)自由度的點(diǎn)元素： 即 x， y， 和 z 方向的移動(dòng) 和繞 x， y， 和 z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 圖 5.4 Mass21 單元模型 此質(zhì)點(diǎn)元素由一個(gè)單一的節(jié)點(diǎn)來(lái)定義， 此單元的坐標(biāo)系統(tǒng)可以平行于全局 的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)也可以使用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng) (KEYOPT(2)). 在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的操 作中可以看到對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系元素的操作討論。做大偏轉(zhuǎn)（a large deflection analysis）分析時(shí)元素坐標(biāo)系相對(duì)于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^(guò) KEYOPT(3)選項(xiàng)來(lái)禁止轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的產(chǎn)生或使元素退化為二維形式。 如果一個(gè)元 25 素只需一個(gè)輸入，那末這個(gè)輸入將運(yùn)用到其它所有方向。此元素的坐標(biāo)系顯示 如上圖所示。 使用該單元的假設(shè)與限制：質(zhì)量單元在靜態(tài)解中無(wú)任何效應(yīng)，除非具有加 速度或旋轉(zhuǎn)載荷或慣性解除，如果質(zhì)量輸入具有方向性，則質(zhì)量?jī)H輸出用 x 方 向表示。 5.4 建立模型 5.4.1 建模準(zhǔn)備工作 模型樁腿與導(dǎo)管架等效厚度計(jì)算： 結(jié)構(gòu)模型化的過(guò)程中，出于計(jì)算簡(jiǎn)潔和方便建模的目的，利用抗彎剛度等 效原理，將樁腿的壁厚等效到外層的導(dǎo)管架上。 根據(jù)材料力學(xué)有： 式 5.1 式中，W 為構(gòu)件的抗彎截面系數(shù) 式5.2 對(duì)于管單元，慣性矩 為zI 式 5.3 外徑D d內(nèi)徑 根據(jù)靜力等效原理，要使得構(gòu)件的最大應(yīng)力相同，需有： 式 5.4 即： 式 5.5 在此，設(shè) 為導(dǎo)管架樁腿導(dǎo)管的外徑， 為樁腿的外徑，由于是將樁max2Rmax3R 腿的壁厚等效到外層的導(dǎo)管架上，即 代入上式則有： maxaxMWmaxzIR46Dd 23Waxma2ax3zzzIIRmax2ax23mzzRII 26 將代入可得： 由 2D 式 5.6 代入構(gòu)件尺寸有 則可得到等效壁厚為 t(13401236.78)/251.6mm 5.4.2 建模步驟 ）創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) 根據(jù)原始圖紙，計(jì)算初各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，并將其輸入 ANSYS 程序。本平臺(tái) 幾何模型共有關(guān)鍵點(diǎn) 75 個(gè)，一些關(guān)鍵點(diǎn)是由 ANSYS 程序“Preprocessor Modeling Move/Modify Keypoints”操作鏡像而來(lái)。部分關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如 下表所列，由于其數(shù)量較多，其余不一一列舉。 表 5.1 部分關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo) NO. X，Y， Z LOCATION 1 5.950000 5.450000 -9.000000 2 -5.950000 5.450000 -9.000000 3 -5.950000 -5.450000 -9.000000 4 5.950000 -5.450000 -9.000000 5 5.100000 4.750000 -2.000000 6 -5.100000 4.750000 -2.000000 7 -5.100000 -4.750000 -2.000000 8 5.100000 -4.750000 -2.000000 9 4.650000 4.150000 4.000000 10 -4.650000 4.150000 4.000000 444max223RDdDd44ax223m444413029210236.78d m46zI 27 ）通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建直線，完成幾何模型的建立 通過(guò) ANSYS 程序“Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines”的操作，在相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)之間創(chuàng)建直線，則生成下圖。 圖 5.5 平臺(tái)幾何模型 ）定義材料及單元屬性 新建單元類(lèi)型： 該模型共包括 mass21、pipe16、pipe59、beam188 四種單元類(lèi)型，此操作的 菜單路徑為“Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select ” 定義單元實(shí)常數(shù)： 選擇菜單路徑“ Preprocessor Real Constants Add select Type * OKinput ” ，選擇需要添加實(shí)常數(shù)的單元類(lèi)型。 本平臺(tái)模型共創(chuàng)建了 6 種單元常量（Set 1Set 6） ，各單元常量及其單元屬 性如下。 表 5.2 Pipe 59 及 pipe 16 實(shí)常數(shù)輸入 28 編號(hào) Set 2 Set 3 Set 4 Set 5 Set 6 單元類(lèi)型 Pipe 59 Pipe 59 Pipe 59 Pipe 59 Pipe 16 外徑 DO(m) 1.34 1.2 0.61 0.4 1.2 壁厚 TWALL(m) 0.0516 0.03 0.02 0.02 0.03 表 5.3 Pipe 59 的其他常數(shù)值 拖曳力系數(shù) CD 慣性系數(shù) CM 附加質(zhì)量比 CI 浮力比 CB 內(nèi)部流體密度 DENSO 1.4 2 1 1 1028 表 5.4 Mass 21 實(shí)常數(shù) X 方向質(zhì)量 MASS-X X 方向質(zhì)量 MASS-X X 方向質(zhì)量 MASS-X 50000 50000 50000 (建模過(guò)程中，在四根樁腿頂部各加一個(gè) 50 噸的質(zhì)量單元，用于模擬總重為 200 噸的平臺(tái)上部模塊) 表 5.5 Beam 188 實(shí)常數(shù)輸入（甲板主梁采用工字梁，建模時(shí)選取工字截面） 工字梁下翼板寬度 W1 工字梁上翼板寬度 W2 工字梁高度 W3 0.3 0.3 0.6 工字梁下翼板厚度 t1 工字梁上翼板厚度 t2 工字梁腹板厚度 t3 0.025 0.025 0.025 ）定義材料屬性 定義材料的彈性模量和泊松比： 平臺(tái)所選用鋼材的彈性模量和泊松比分別為 2.06 （單位為 N/）和10 0.3，菜單路徑 “Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX ：2.06e11， PRXY：0.3 OK” 定義材料的密度： 鋼材的密度為 7800kg/ ，菜單路徑為““Preprocessor Material Props 3m 29 Material Models Structural Densityinput DENS：7800 OK” 定義 water table： 根據(jù)所給出的環(huán)境條件，創(chuàng)建 water table 表格。 相關(guān)參數(shù)如下： KWAVE(波浪理論 ) 2 DEPTH（水深） DENSW（海水密度） w（波向角） 9 1028 定義海流： Z(j)（海流深度） W(j)（海流速度） d(j)（流向角） 0 1.6 定義波浪： A(i)（波高） (i)（周期） (i)（相位角） 6 8.2 其中，為了保守起見(jiàn)， d(j)（流向角）和 w（波向角）取同樣大小，兩者 的基線均為 X 軸正向。 Water table 相關(guān)說(shuō)明 Pipe 59 單元波浪載荷計(jì)算有四種波浪理論（KWAVE）可供選擇，見(jiàn)表 5.6： 表 5-6 波浪理論選項(xiàng) 波浪理論選項(xiàng)（KWAVE） 相應(yīng)的波浪理論 0 深度衰減經(jīng)驗(yàn)修正的微幅波理論 1 Airy 波理論 2 Stokes 五階波理論 3 流函數(shù)波浪理論 ）定義重力加速度 菜單路徑為“Solution Define Loads Apply Structural Inertia Gravity Global”，在 ACELZ（Z 向加速度）項(xiàng)中填入 9.8。 30 ）劃分網(wǎng)格 把單元類(lèi)型賦給幾何模型 對(duì)于導(dǎo)管架、樁腿、以及甲板主梁，選擇“Preprocessor Meshing Mesh Tool( Size Controls) lines： Set ” ，拾取相應(yīng)的線定義屬性。 對(duì)于質(zhì)量點(diǎn)單元，選擇“Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) key pionts： Set ”定義屬性。 選擇自由網(wǎng)格劃分 在“Mesh Tool”對(duì)話框中，選擇復(fù)選框 Smart Size，激活其下的滾動(dòng)條， 調(diào)整劃分網(wǎng)格的精度為“6” 。選擇“mush”分別對(duì)點(diǎn)和線進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 ）施加邊界條件 菜單路徑“Solution Define Loads Apply Structural Displacement On key pionts ”，拾取模型最下面的四點(diǎn)，定義為固支，即 UX=UY=UZ=ROTX=ROTY=ROTZ=0. 注：模型將樁腿簡(jiǎn)化為泥面以下 6 倍樁徑固支。 最終生成模型如圖 5.6： 31 圖 5.6 平臺(tái)模型 32 第六章 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)靜力分析 6.1 平臺(tái)位移 使用 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件 4.5 節(jié)中各工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，由后處理器 可輸出結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力。各工況平臺(tái)最大節(jié)點(diǎn)位移見(jiàn)下表，各工況位移圖見(jiàn)下。 表 6.1 各工況下結(jié)構(gòu)最大位移（m） 工況 主要載荷和作用方向 X 方向位移