淺海井組計量平臺設(shè)計含4張CAD圖,淺海,計量,平臺,設(shè)計,cad 淺海井組計量平臺設(shè)計 摘 要 海洋開發(fā)中，尤其是對淺海的開發(fā)中，各國廣泛采用導(dǎo)管架平臺。本文以 渤海地區(qū)的自然環(huán)境條件為設(shè)計依據(jù)，論述了該環(huán)境條件情況下井組計量平臺 的的設(shè)計過程，包括平臺選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定，環(huán)境載荷計算及各 工況載荷的組合，建立 ANSYS 模型，對平臺進(jìn)行靜動力強度校核，地基承載 力計算等幾個方面。 由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使有限元法在工程中得到了廣泛的運用。有 限元法是一種采用電子計算機求解結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)力學(xué)特征問題的數(shù)值解法，運 用有限元對結(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 每一個單元假設(shè)一個合適的近似解，然后推導(dǎo)該問題的滿足條件，從而得到問 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)計方法對 CAE 技術(shù)提出的新要求，具有強大的非線性分析功能。 關(guān)鍵詞：海洋平臺；導(dǎo)管架；結(jié)構(gòu)強度；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 國外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r .........................................1 1.2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 .........................................2 第二章 環(huán)境條件和設(shè)計依據(jù) .....................................4 2.1 環(huán)境條件 .....................................................4 2.2 設(shè)計依據(jù) .....................................................5 第三章 平臺選型和主尺度 ........................................6 第四章 環(huán)境條件計算 ............................................7 4.1 風(fēng)載荷 ........................................................7 4.1.1 計算公式 ...................................................7 4.1.2 計算結(jié)果 ..................................................8 4.2 冰載荷 .......................................................10 4.2.1 計算公式 ..................................................10 4.2.2 計算結(jié)果 .................................................10 4.3 波浪、流載荷 .................................................11 4.3.1 計算公式 .................................................11 4.3.2 計算結(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 平臺整體結(jié)構(gòu)靜力分析 ..................................24 4 6.1 平臺位移 ....................................................24 6.2 結(jié)構(gòu)強度校核 ................................................26 第七章 動力學(xué)分析 ..............................................33 7.1 模態(tài)分析 ....................................................33 7.2 平臺動力響應(yīng)分析 ............................................35 7.2.1 阻尼系數(shù) 、 求解 .....................................35 7.2.2 動力計算（瞬態(tài)計算）結(jié)果 ................................35 第八章 樁基承載力計算 .........................................40 8.1 軸向承載力計算： ............................................40 8.1.1 計算公式 ................................................40 8.1.2 計算結(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 隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會對能源的需求越來越大。陸 地上的油氣資源經(jīng)過長時期大規(guī)模的開發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開發(fā)漸 漸轉(zhuǎn)向了資源豐富的海洋，并形成了投資高、風(fēng)險大并且高新技術(shù)密集的海洋 工程產(chǎn)業(yè)。海洋石油開發(fā)是海洋資源開發(fā)利用的一部分。目前世界上己有 39 個 國家(或地區(qū) )從事近海石油開發(fā)，22 個國家(或地區(qū))從事近海天然氣開發(fā)。 我國海域遼闊，其中大陸架面積約有 110 萬平方公里，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值的面積在 60 萬平方公里 以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。預(yù)測的石油儲量達(dá) 250 億噸，這是我 國海上石油天然氣開發(fā)的豐富資源基礎(chǔ)。我國從 1957 年便已開始進(jìn)行海洋石油 勘探開發(fā)，從 1979 年實行改革開放以來，我國的海上石油開發(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 萬噸：預(yù)計到 2005 年，我國的海上原油 生產(chǎn)能力會達(dá)到 4000 萬噸。目前海洋石油己成為我國重要的原油生產(chǎn)基地。 在海洋開發(fā)中，尤其是對淺海的開發(fā)中，各國廣泛采用導(dǎo)管架平臺。導(dǎo)管 架平臺具有如下特點：(1) 平臺的支承結(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)大大簡化，保證平臺結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn) 定性。(4)平臺可以在陸上分塊預(yù)制，海上組裝，保證施工質(zhì)量，節(jié)約投資。(5) 導(dǎo)管架平臺設(shè)計、制造及安裝技術(shù)成熟，實踐經(jīng)驗多，適用性強。 隨著計算機技術(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)用到平臺及導(dǎo)管架的設(shè)計和強度計算中，并且發(fā)揮了重要 的作用。其中，ANSYA 作為世界著名的美國 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。在淺海平臺結(jié)構(gòu)的研 究和設(shè)計中，ANSYS 已經(jīng)得到成功的運用。 1.1 國外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r 6 世界石油開發(fā)的歷史已有 200 多年， 19901995 年間，除美國以外全世 界共安裝了 703 座平臺，其中 83 座為半潛式、張力腿式和可移動生產(chǎn)平臺，41 各國家安裝了 370 多座水深不超過 60m 的淺水平臺。 長期以來，樁基導(dǎo)管架平臺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發(fā)展為例，1978 年建造的“Cognac”鉆井平臺以極端的 颶風(fēng)載荷控制設(shè)計，導(dǎo)管架分三段建造；1981 年水深 285m 的“Cerveza”平臺 則使用更為先進(jìn)的整體制造，簡化了結(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，其 導(dǎo)管架所有的樁基在四角上，除主樁腿外周圍又打入數(shù)根環(huán)繞樁，以增大抗傾 覆能力。 1.2 我國海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 我國海域遼闊，大陸架面積約有 110 萬平方公里，管轄海域近 300 萬平方 公里。為開發(fā)利用海洋，我們建設(shè)了大量的海洋工程，其中用于油氣開發(fā)的海 洋平臺 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 時作用于結(jié)構(gòu)，同時還受到地震和海嘯的威脅。從 1966 年渤海建造第一座鋼質(zhì) 鉆井平臺到 1980 年對外合作勘探開發(fā)的 15 年里，我國自主設(shè)計建造了 11 座固 定式鉆井平臺、7 座固定式平臺、1 座自升式平臺、1 座單點系泊系統(tǒng)和 3 艘工 程船舶。 雖然我國海洋石油開發(fā)較晚，但近年來通過對外合作，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)， 加上自己研究開發(fā)，已在該領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。2004 年，國內(nèi)最大石油平 臺渤海南堡 352 油田開發(fā)項目平臺組塊建造工程開工，南堡 352CEP/WHPB 平臺總重達(dá)到了 12000 多噸。其中 CEP 平臺組塊長 64 米、寬 59 米、高 20.6 米，重達(dá) 8000 余噸，WHPB 平臺也達(dá)到了 4000 噸。 本文介紹了淺海 9 米水深海上石油計量導(dǎo)管架平臺的設(shè)計，主要包括以下 幾方面內(nèi)容： 1 學(xué)習(xí) ANSYS 在平臺結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用； 2 平臺選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定； 3 環(huán)境載荷計算及各工況載荷的組合； 7 4 建立 ANSYS 模型； 5 對平臺進(jìn)行靜動力強度校核； 6 地基承載力計算 8 第二章 環(huán)境條件和設(shè)計依據(jù) 2.1 環(huán)境條件 設(shè)計水深： 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)計高水位： 1.48 米 設(shè)計低水位： -0.69 米 校核低水位： -2.32 米 波浪： 風(fēng)浪為主，涌浪次之，強浪向 NNE-ENE 校核高水位最大可能波高： 7.2 米 對應(yīng)波浪周期： 8.6 秒 設(shè)計高水位最大可能波高： 6 米 對應(yīng)波浪周期： 8.6 秒 海流： 方向：ESE，WNW 最大可能流速： 1.6m/s 最大實測流速： 0.98 m/s 風(fēng)： 強風(fēng)向：NW-NNW，NNE-ENE 風(fēng)速： 冰作用下，設(shè)計風(fēng)速 28m/s 波浪作用下，設(shè)計風(fēng)速 51.5m/s 海冰： 設(shè)計冰厚（50 年一遇）： 0.45m 抗壓強度： 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 土壤 名稱 深度 m 水下容重 KN/m3 剪切強度 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)計依據(jù) 平臺用途和主要功能： 本文所設(shè)計的導(dǎo)管架平臺為淺海井組計量平臺，包括甲板、導(dǎo)管架、樁基 等部分。平臺上部設(shè)備總重量為 200 噸。 平臺用鋼材： 平臺所用鋼材為：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： 平臺的使用年限為 15 年。 依據(jù)規(guī)范： 中國船級社淺海固定平臺規(guī)范 （2003） 10 11 第三章 平臺選型和主尺度 設(shè)計要求：平臺甲板面積 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： 平臺甲板高程：9.00 m 工作點高程： 5.50 m 導(dǎo)管架尺寸：上部工作點處（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 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，總長為 46.3m。 平臺甲板采用板、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)重量計算 名稱 截面面積（） 長度 （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)境條件計算 本章分別計算風(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 計算公式 作用于平臺上的風(fēng)載荷按下式計算： 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 計算結(jié)果 表 4.3 風(fēng)、浪、流工況下 X 向風(fēng)載計算結(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 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 作用點距靜水面 9 米 表 4.4 風(fēng)、浪、流工況下 Y 向風(fēng)載計算結(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 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 作用點距靜水面 9 米 表 4.5 風(fēng)、冰、流工況下 X 向風(fēng)載計算結(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 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 作用點距靜水面 9 米 表 4.6 風(fēng)、冰、流工況下 Y 向風(fēng)載計算結(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 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 作用點距靜水面 9 米 注：為了在進(jìn)行強度校核時簡化計算并且減少應(yīng)力集中，根據(jù)力的平移法則， 將風(fēng)載等效為一個集中力加一個彎矩，作用于導(dǎo)管架頂部，作用點距靜水面 9 米。 表格中“底部位置”均指構(gòu)件底部距海平面的距離， “合力作用點高度”亦 是指合力作用點距海平面的高度。 16 4.2 冰載荷 4.2.1 計算公式 作用于平臺上的冰載荷按下式計算： 式 4.4bhRKmPe21 式中： 樁柱形狀系數(shù)，對圓截面柱采用 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 冰層計算厚度。h 4.2.2 計算結(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 計算公式 對小尺度圓形構(gòu)件，垂直于其軸線方向單位長度上的波浪力 ， 當(dāng)f D/L0.2（D 為圓形構(gòu)件直徑，m；L 為設(shè)計波長， m）時，可按 Morison 公式 17 計算： 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，應(yīng)盡量由試驗確定。在DC 實驗資料不足時，對圓形構(gòu)件可取 =0.61.0；DC 慣性力系數(shù)，應(yīng)盡量由試驗確定，在實驗資料不足時，對圓形M 構(gòu)件可取 2.0； 水質(zhì)點相對于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的速度分量，m/s， 為u u 其絕對值，當(dāng)海流和波浪聯(lián)合對平臺作用時， 為水質(zhì)點的波浪速u 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)點相對于構(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，圓形構(gòu)件單位長度上的海流載荷 按下式計算：Df N/m 式 4.621CDAUf 式中： 阻力系數(shù)；DC 海水密度， kg/m3； 設(shè)計海流速度，m/s ；CU 單位長度構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積，m 2/m。A 設(shè)計海流速度采用平臺使用期間可能出現(xiàn)的最大流速。 4.3.2 計算結(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 浪理論對使用了 Pipe59 單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行波浪力及流力的計算。 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0L 式 4.9 速度勢方程為： 式 4.10 相位角為： 式 4.11 波形系數(shù)： 速度勢函數(shù)： 其中 、 、 、為系數(shù)。iAiBiC 4.4 甲板設(shè)備載荷 該平臺為石油計量平臺，其設(shè)備總重約為 200 噸，計算時甲板載荷等效為 4 個各 50 噸的質(zhì)量單元，作用于樁腿頂端的節(jié)點之上；平臺結(jié)構(gòu)的自重通過輸 入 z 軸方向的重力加速度（9.8m/ ）由 ANSYS 程序自動生成。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)說明 5.1 有限元法基本思路 有限元法是一種利用電子計算機求解結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)力學(xué)特征問題的數(shù)值解 法，其基本思路是： 1.把很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為若干個形狀簡單的單元，這些單元一般要小到可 以用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述特征參數(shù)在其中的分布，這一過程即離散。 2.通過對單元的分析來建立各特征參數(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)點位移分量的方程，同時研究 單元的節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關(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)條件將各個單元拼裝成整體 結(jié)構(gòu)。對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 總部位于美國賓西法尼亞州的匹茲堡。三十年來，ANSYS 公司一直致力于設(shè)計 分析軟件的開發(fā)、維護(hù)以及售后服務(wù)等，并不斷吸取最新的計算方法和計算機 技術(shù)，始終領(lǐng)導(dǎo)著國際分析仿真和優(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)計方法對 CAE 技術(shù)提出的新要求，即以廣泛的多物理場仿真分析的功能，承擔(dān)起虛擬樣機這 一設(shè)計核心的角色。ANSYS 軟件可以實現(xiàn)多場及多場藕合分析，具有強大的非 線性分析功能。它是一種可以實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一 體化大型 FEA 軟件，并可支持從微機、工作站到巨型機的所有平臺以及所有平 臺的并行計算。 21 5.3 單元特性 本文采用了以下 ANSYS 單元模型進(jìn)行計算： 5.3.1 Beam188 單元特性 Beam188 單元適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(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）或者二次梁單元。每個節(jié)點有六個或者七 個自由度，自由度的個數(shù)取決于 KEYOPT(1)的值。當(dāng) KEYOPT(1)0（缺?。?時，每個節(jié)點有六個自由度；節(jié)點坐標(biāo)系的 x、y、z 方向的平動和繞 x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動。當(dāng) KEYOPT(1)=1 時，每個節(jié)點有七個自由度，這時引入了第七個 自由度（橫截面的翹曲） 。這個單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動和 /并非線性大 應(yīng)變問題。 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。 該單元在兩個結(jié) 點有 6 個自由度：沿節(jié)點 X，Y，Z 方向的平移和繞結(jié)點 X，Y ，Z 軸的旋轉(zhuǎn)。 該單元基于三維梁單元(BEAM4)，包含了根據(jù)對稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸進(jìn)行的 簡化。 22 圖 5.1 描述顯示了該單元的幾何形狀，節(jié)點位置和坐標(biāo)系。單元的數(shù)據(jù)輸 入包括 2 個或 3 個節(jié)點，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)點到 J 節(jié)點的方向。當(dāng)單元由 2 個結(jié)點組成時，單 元的 Y 軸被自動設(shè)成平行于整體坐標(biāo)系的 X-Y 面。參見圖 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 個節(jié)點。如果使用了第 3 節(jié)點(K)，則 K 和 I、J 一起定義了一個包括 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)點和 J(SIFJ)節(jié)點末端輸入；若 KEYOPT(2) = 1，2，或 3，則軟件按照 T 形接頭自行計算并確定。當(dāng) SIF 的值小于 1.0 時取 1.0。撓曲系數(shù)(FLEX) 被分 為截面的轉(zhuǎn)動慣量中從而生成一個計算彎曲剛度所需的修正轉(zhuǎn)動慣量。FLEX 的缺省直為 1.0，但也可以輸入任何一個正數(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。允許侵蝕厚度用來計算應(yīng)力。一個確定的管壁其質(zhì) 量是一個常數(shù)，不用考慮其計算值。一個非零的絕緣體面積是一常數(shù)，不用考 慮其計算值(有管壁外直徑和長度得來)。一個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。單元的每個節(jié)點有六個自由度，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。這個單元還適合剛度硬化和非線性大應(yīng)變問題。 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)點位置及坐標(biāo)系統(tǒng)。本單元輸入數(shù)據(jù)包 括：兩個節(jié)點，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)用來計算外部流體的雷 諾系數(shù)。 單元的 x 軸方向為 i 節(jié)點指向 j 節(jié)點，y 軸方向按平行 xy 平面自動計 算，其他方向如上圖所示。對于單元平行與 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 軸分布類似。 KEYOPT(1)用來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，可用于長柔結(jié)構(gòu)，常用來分析帶扭轉(zhuǎn)的纜索結(jié)構(gòu)。 對于海浪，海流和水密度通過 water motion table 輸入，如果不輸入，就不 會考慮水的作用。雖然文章中用“水”的不同性質(zhì)，事實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)也可以通過此表輸入。 此外，單元長度不能為 0，此外，外徑必須大于 0，內(nèi)徑不能小于 0。水面 附近的單元長度相對波浪長度應(yīng)小。單元的兩個端點不能同時處于泥面以下， 并且如果積分點位于泥面以下，就會忽略水動力。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)動力分析時， 應(yīng)當(dāng)注意。因為這種分析會忽略單元上的荷載向量。 5.3.4 MASS21 單元特性 MASS21 是一個具有六個自由度的點元素： 即 x， y， 和 z 方向的移動 和繞 x， y， 和 z 軸的轉(zhuǎn)動。每個方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。 圖 5.4 Mass21 單元模型 此質(zhì)點元素由一個單一的節(jié)點來定義， 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)點坐標(biāo)系統(tǒng) (KEYOPT(2)). 在節(jié)點坐標(biāo)系的操 作中可以看到對節(jié)點坐標(biāo)系元素的操作討論。做大偏轉(zhuǎn)（a large deflection analysis）分析時元素坐標(biāo)系相對于節(jié)點坐標(biāo)系會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^ KEYOPT(3)選項來禁止轉(zhuǎn)動慣量的產(chǎn)生或使元素退化為二維形式。 如果一個元 25 素只需一個輸入，那末這個輸入將運用到其它所有方向。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)量僅輸出用 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)管架等效厚度計算： 結(jié)構(gòu)模型化的過程中，出于計算簡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 根據(jù)原始圖紙，計算初各關(guān)鍵點坐標(biāo)，并將其輸入 ANSYS 程序。本平臺 幾何模型共有關(guān)鍵點 75 個，一些關(guān)鍵點是由 ANSYS 程序“Preprocessor Modeling Move/Modify Keypoints”操作鏡像而來。部分關(guān)鍵點坐標(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 ）通過關(guān)鍵點創(chuàng)建直線，完成幾何模型的建立 通過 ANSYS 程序“Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines”的操作，在相關(guān)的關(guān)鍵點之間創(chuàng)建直線，則生成下圖。 圖 5.5 平臺幾何模型 ）定義材料及單元屬性 新建單元類型： 該模型共包括 mass21、pipe16、pipe59、beam188 四種單元類型，此操作的 菜單路徑為“Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select ” 定義單元實常數(shù)： 選擇菜單路徑“ Preprocessor Real Constants Add select Type * OKinput ” ，選擇需要添加實常數(shù)的單元類型。 本平臺模型共創(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 實常數(shù)輸入 28 編號 Set 2 Set 3 Set 4 Set 5 Set 6 單元類型 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 (建模過程中，在四根樁腿頂部各加一個 50 噸的質(zhì)量單元，用于模擬總重為 200 噸的平臺上部模塊) 表 5.5 Beam 188 實常數(shù)輸入（甲板主梁采用工字梁，建模時選取工字截面） 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， 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)說明 Pipe 59 單元波浪載荷計算有四種波浪理論（KWAVE）可供選擇，見表 5.6： 表 5-6 波浪理論選項 波浪理論選項（KWAVE） 相應(yīng)的波浪理論 0 深度衰減經(jīng)驗修正的微幅波理論 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）項中填入 9.8。 30 ）劃分網(wǎng)格 把單元類型賦給幾何模型 對于導(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。 對于質(zhì)量點單元，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”對話框中，選擇復(fù)選框 Smart Size，激活其下的滾動條， 調(diào)整劃分網(wǎng)格的精度為“6” 。選擇“mush”分別對點和線進(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，定義為固支，即 UX=UY=UZ=ROTX=ROTY=ROTZ=0. 注：模型將樁腿簡化為泥面以下 6 倍樁徑固支。 最終生成模型如圖 5.6： 31 圖 5.6 平臺模型 32 第六章 平臺整體結(jié)構(gòu)靜力分析 6.1 平臺位移 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。各工況平臺最大節(jié)點位移見下表，各工況位移圖見下。 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