周陽(yáng)渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、分類號(hào)分類號(hào)密級(jí)密級(jí) UDC 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)生姓名 周陽(yáng)周陽(yáng) 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào) 080112006027080112006027 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 石湘石湘 院、系、中心院、系、中心 工程學(xué)院海洋工程系工程學(xué)院海洋工程系 專業(yè)年級(jí)專業(yè)年級(jí) 船舶與海洋工程船舶與海洋工程 20062006 級(jí)級(jí) 論文答辯日期論文答辯日期 20102010 年年 0606 月月 1212 日日 中中 國(guó)國(guó) 海海 洋洋 大大 學(xué)學(xué)渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì) 完成日期： 指導(dǎo)教師簽字： 答辯小組成員簽字： 渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- I -渤海埕島油田簡(jiǎn)易

2、三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)摘 要海洋開發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開發(fā)中，各國(guó)廣泛采用導(dǎo)管架平臺(tái)。本文以渤海地區(qū)錦州油田附近的自然環(huán)境條件為設(shè)計(jì)依據(jù)，論述了該環(huán)境條件情況下，使用年限為 15 年的某一簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程。本文利用目前比較流行的有限元分析軟件 ANSYS 進(jìn)行建模求解。根據(jù)所在海域的環(huán)境條件計(jì)算環(huán)境載荷；根據(jù)環(huán)境載荷，在各個(gè)工況下對(duì)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)靜力分析、地震響應(yīng)分析、樁基承載力的計(jì)算等；根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷調(diào)整簡(jiǎn)易平臺(tái)各個(gè)構(gòu)件的尺寸，最后得到結(jié)構(gòu)合理、造價(jià)最少的最終設(shè)計(jì)方案。同時(shí)用 AUTOCAD畫出了平臺(tái)的三視圖。關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)；導(dǎo)管架；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；ANSYS渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)-

3、II -The Design of Simple three-footed Jacket Platform in an oil field of Shallow Sea Abstract Jacket platform is one of the most popular platform types when exploring oil in the shallow areas of the sea.This paper described the design process of a simple three-footed jacket platform, which will be u

4、sed for 15 years,according to the usage and the environment condition of Jinzhou oil field in Bohai.In this paper, the modeling and solution were carried out under the environment of the finite element software ANSYS, which is more popular at present. After a comparison of several different structur

5、e form of simple ocean platform, the optimum scheme can be determined. The environment load calculation is carried out based on the environmental condition of its sea area. According to The environment load, Analysis including dynamic and static analysis, seismic response analysis, calculation of pi

6、le bearing capacity ,etc ,is performed on the platform under each work condition. After continuously adjusting the size of each component of simple ocean platform according to the calculation result, we can get the final scheme with reasonable structure and lowest cost. At the same time draw the thr

7、ee-view drawings of plotform by AUTOCAD.Key words: offshore platform design; jacket; structural strength ; ANSYS;渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- III -目錄第一章 前言1.1 國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r .11.2 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)2.1 環(huán)境條件 .32.2 設(shè)計(jì)依據(jù) .4第三章 平臺(tái)主尺度和選型3.1 平臺(tái)選型 .63.2 平臺(tái)主尺度 .6第四章 環(huán)境條件計(jì)算4.1 風(fēng)載荷 .84.1.1 計(jì)算公式 .84.1.2 計(jì)算結(jié)果 .94.2 冰載荷

8、 .94.2.1 計(jì)算公式 .94.2.2 計(jì)算結(jié)果 .104.3 波浪、流載荷 .104.3.1 計(jì)算公式 .104.3.2 計(jì)算結(jié)果 .114.4 甲板設(shè)備載荷 .124.5 工況和載荷組合 .124.5.1 波流工況 .124.5.2 海冰工況 .12第五章 有限元模型的建立5.1 ANSYS 簡(jiǎn)介 .135.1.1 Beam188 單元特性.135.1.2 Pipe16 單元特性 .145.1.3 Pipe59 單元特性 .155.1.4 Mass21 單元特性.165.2 平臺(tái)單元分配 .175.3 建模準(zhǔn)備工作 .175.4 建模步驟 .18第六章 平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力分析6.1 平臺(tái)位移

9、 .246.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 .26第七章 平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- IV -7.1 模態(tài)分析 .327.2 波浪作用下的平臺(tái)動(dòng)力分析 .347.2.1 阻尼系數(shù) 、 求解 .347.2.2 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果 .357.3 冰作用下的平臺(tái)動(dòng)力分析.38第八章 地震荷載下平臺(tái)的響應(yīng)分析8.1 地震數(shù)據(jù)的輸入及求解方法 .428.2 動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果 .44第九章 樁基承載力計(jì)算9.1 軸向承載力計(jì)算： .469.1.1 計(jì)算公式 .469.1.2 計(jì)算結(jié)果 .489.2 軸向樁基承載力校核 .50第十章 總結(jié)參考文獻(xiàn) .52致謝 .53附錄 .54渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)-

10、 1 -第第 1 章章 前言前言隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會(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。海上油氣開發(fā)是一種高風(fēng)險(xiǎn)、高科技的工程項(xiàng)目，在當(dāng)今國(guó)際石油市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，如何以有限的投資對(duì)收益頗小的邊際油田進(jìn)行開發(fā)使邊際油田的開發(fā)取得一定的經(jīng)濟(jì)效益是一個(gè)值得研究的問(wèn)題三樁腿簡(jiǎn)易平臺(tái)一種適合于海上中小油氣田及邊際油氣田開發(fā)的獨(dú)腿三樁簡(jiǎn)易平臺(tái)，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，大幅度減少了鋼材用量，降低了制造成本。我國(guó)海洋高科技計(jì)劃的實(shí)施，作為海洋開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施之一的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究和建設(shè)正受到國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)

11、業(yè)集團(tuán)的高度重視。海洋平臺(tái)是海上石油天然氣能源的開發(fā)基地。我國(guó)海洋平臺(tái)多是導(dǎo)管架平臺(tái)。在海洋開發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開發(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、ANSYS 等結(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

12、計(jì)算中，并且發(fā)揮了重要的作用。1.1 國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r世界石油開發(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)境條件渤

13、海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 2 -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，除主樁腿外周圍又打入數(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(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)外合作勘探開發(fā)的 15 年里，我國(guó)自主設(shè)計(jì)建

14、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 油田開發(fā)項(xiàng)目平臺(tái)組塊建造工程開工，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 13 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 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù)的確定2

15、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4 建立 ANSYS 模型5 平臺(tái)靜動(dòng)力強(qiáng)度校核6 地震載荷下強(qiáng)度校核7 樁基承載力計(jì)算8. AUTOCAD 制圖渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 3 -第二章第二章 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù)環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù)2.1 環(huán)境條件環(huán)境條件設(shè)計(jì)水深： 13.0 米潮位潮位以渤海平均海平面為基準(zhǔn)校核高水位： 4.18 米設(shè)計(jì)高水位： 3.18 米設(shè)計(jì)低水位： -3.52 米校核低水位: -5.02 米波浪：波浪：風(fēng)浪為主，涌浪次之，強(qiáng)浪向 SSW校核高水位最大可能波高： 5.1 米對(duì)應(yīng)波浪周期： 8.2 秒設(shè)計(jì)高水位最大可能波高： 3.2 米

16、對(duì)應(yīng)波浪周期： 7.8 秒海流：海流：方向：強(qiáng)方向 SSW。表層流速： 136cm/s中層流速： 123cm/s底層流速: 109cm/s風(fēng)：風(fēng)：強(qiáng)風(fēng)向：NNE 風(fēng)速： 50 年一遇 10 分鐘平均風(fēng)速 31.1m/s 海冰：海冰：設(shè)計(jì)冰厚（50 年一遇）： 0.467m 抗壓強(qiáng)度： 2300kPa腐蝕和磨損：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： -2.83m-3.98m冰接觸區(qū)構(gòu)件磨損量： 1mm冰接觸區(qū)標(biāo)高： -1.14m+1.93m渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 4 -地質(zhì)資料如表 2.1 所示：表 2.1 地基土壤的物理學(xué)特性 2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)依據(jù) 本設(shè)計(jì)采用

17、渤海 JZ9-3 油田設(shè)計(jì)水深、工程設(shè)計(jì)水位；風(fēng)、浪、流設(shè)計(jì)方向和極值條件；海冰設(shè)計(jì)條件。設(shè)計(jì)水位以渤海平均海平面為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)高水位采用重現(xiàn)期 50 年高水位，設(shè)計(jì)低水位采用重現(xiàn)期 50 年低水位，校核高（低）水位=設(shè)計(jì)高（低）水位K， K 為常數(shù)，取用于海洋工程環(huán)境概論一書 132 頁(yè)表 4.3.6 。本文 K 采用葫蘆島的數(shù)值。校核高水位最大可能波高采用 50 年重現(xiàn)期最大波高，設(shè)計(jì)土壤層號(hào)土壤名稱深度m有效容重KN/m3設(shè)計(jì)抗剪切強(qiáng)度C(Kpa)單位樁端承載力（Mpa）1非常軟粉質(zhì)粘土072軟粉質(zhì)粘土4.8-10.98.98-350.073砂質(zhì)粉砂10.9-15.19.

18、4f=47.8kPaq=1.9MPa0.71-1.024細(xì)砂15.1-18.69.9f=81kpq=4.80Mpa2.56-3.255硬粉質(zhì)粘土118.6-22.99760.686粉質(zhì)細(xì)砂22.9-24.624.6-27.027.0-9.5f=81kpaq=4.80Mpa4.02-4.364.36-4.804.80-4.807細(xì)砂29.2-56.49.9f=96kPaq=9.6MPa9.608非常硬粉質(zhì)粘土56.4-62.59.61201.089粉質(zhì)細(xì)砂62.5-74.110.8f=96kPa，q=9.6MPa9.6010非常硬粉質(zhì)粘土74.1-94.69.61501.35

19、渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 5 -高水位最大波高采用 50 年重現(xiàn)期有效波高。風(fēng)速采用 50 年重現(xiàn)期 10 分鐘平均風(fēng)速。飛濺區(qū)定義標(biāo)高的計(jì)算：最高天文潮位 - 平均海平面 + X 平均波高32最低天文潮位 - 平均海平面 - X 平均波高31平均波高設(shè)計(jì)波高(即有效波高）除以 1.500。 （P48 表 3.3.4 P/3=1.500（淺水） ）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)為淺海單井采油平臺(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 31

20、5Mpa，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） 渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 6 -第三章第三章 平臺(tái)主尺度和選型平臺(tái)主尺度和選型 3.1 平臺(tái)選型平臺(tái)選型本文所設(shè)計(jì)的海洋平臺(tái)位于渤海遼東灣北部海域內(nèi)，西距遼寧省錦西市約53km，東北距遼河平原海岸最短距離約 15km。該處水深為 13.0m，該油田為邊際油田，若以常規(guī)方式開發(fā)，則開發(fā)價(jià)值不大；因此，對(duì)該油田的開發(fā)必須嘗試新思路，這樣才能使該油田具有經(jīng)濟(jì)效益。該平臺(tái)是一座單井采油

21、平臺(tái)。在設(shè)計(jì)中對(duì)平臺(tái)功能進(jìn)行了全面簡(jiǎn)化，為平臺(tái)的簡(jiǎn)易化創(chuàng)造了條件。 要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的平臺(tái)，必須具備一定的條件：(1)平臺(tái)上各種設(shè)備要少，質(zhì)量要輕;(2)甲板面積要小，且容易支撐;(3)井口數(shù)量較少，一般少于 6 口;(4)平臺(tái)不設(shè)修井鉆井設(shè)備，修井鉆井作業(yè)由移動(dòng)式鉆井平臺(tái)進(jìn)行。該平臺(tái)的鉆井、完并和修井，擬采用槽口式自升式鉆井船進(jìn)行，平臺(tái)上不設(shè)修井機(jī)，甲板上的設(shè)備盡量簡(jiǎn)化吊機(jī)采用小噸位簡(jiǎn)易吊機(jī)。通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，該平臺(tái)上部設(shè)施質(zhì)量較輕（200 噸載荷） ，甲板根據(jù)使用需要設(shè)置為 12m14m 。3.2 平臺(tái)主尺度平臺(tái)主尺度此平臺(tái)采用樁基導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)由 3 根主樁和上部平臺(tái)組成。甲板高程的確定

22、：當(dāng)波浪沖擊甲板和設(shè)備時(shí)，將產(chǎn)生很大的力，而且海水會(huì)對(duì)甲板上的設(shè)施產(chǎn)生很大的破壞。為避免這一點(diǎn)，下甲板的底部應(yīng)設(shè)置在能使設(shè)計(jì)波浪的計(jì)算波峰通過(guò)且?guī)в羞m當(dāng)?shù)陌踩６鹊母叱躺稀?yīng)使用重現(xiàn)期為100 年的指導(dǎo)性的無(wú)方向性波高，以及適用的波浪理論和波陡來(lái)計(jì)算包括指導(dǎo)性風(fēng)暴潮在內(nèi)的風(fēng)暴水位以上的波峰高程。為了確定下甲板底部梁的最小容許高程，以避免波浪沖擊到甲板上，應(yīng)將至少 1.5m 的安全裕量或空間加到波峰高程上，以考慮平臺(tái)的沉降、水深的不確定性和極端波浪的可能性。對(duì)已知或預(yù)期的長(zhǎng)期海床沉陷情況，還應(yīng)增加一定的間隙。最終取 h6.6m。設(shè)計(jì)要求：平臺(tái)甲板面積 12m14m，承載能力 200t。 考慮環(huán)境

23、條件，決定采用摩擦樁基礎(chǔ)三腿導(dǎo)管架平臺(tái)：渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 7 -平臺(tái)甲板高程：6.60 m 工作點(diǎn)高程：6.10m導(dǎo)管架尺寸：上部工作點(diǎn)附近處（EL+4.60m）為 8.38m8.43m8.43m中部（EL-4.00m）為 10.5m10.56m10.56m底部（EL-13.00m）為 12.72m12.79m12.79m樁腿導(dǎo)管直徑為 120025，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，水平橫撐尺寸為 55020，斜撐尺寸為 61030。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 1m，則根據(jù) CCS 規(guī)范鋼管樁壁的最小厚度 t 按下

24、式計(jì)算： t=6.35+D/100 mm式中 D樁徑，mm則取樁壁厚為 30 mm t=6.35+1000/100=16.35 mm。樁入土深度為 40m，總長(zhǎng)為 59.1m。平臺(tái)甲板采用板、梁結(jié)構(gòu)，面積為 12m14m，甲板板厚為 8mm ，Y 向設(shè) 4 根主梁，X 向設(shè) 5 根。 渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 8 -第四章第四章 環(huán)境條件計(jì)算環(huán)境條件計(jì)算本章分別計(jì)算風(fēng)浪流、風(fēng)冰流兩種工況下 X 和 Y 向的各種載荷。4.1 風(fēng)載荷風(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： （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

25、承受的風(fēng)壓為： （4.2）為基本風(fēng)壓，標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上 10m0p（4.3）式中 風(fēng)壓的高度系數(shù)；HC構(gòu)件的形狀系數(shù)。SC、取值見表 4.1 和表 4.2 HCSC表 4.1 高度系數(shù) 表 4.2 形狀系數(shù)h(m)CH構(gòu)件形狀Cs015.31.00 球0.415.330.51.10 圓柱0.530.546.01.20 大平板1.0 46.061.01.30 鉆井架1.2561.076.01.37 甲板以下暴露的梁和桁材1.376.091.51.43 孤立結(jié)構(gòu)1.5其中 h（m）為構(gòu)件距離海平面的高度。FpA22010.6132pvvg0HSpC C pPaPa渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)-

26、9 -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 31.1m/s)名稱位置ChCsF(kN)作用點(diǎn)M(kNM)工作間6.61133.596.6400.51樁腿6.11 0.50.29676.10橫撐4.61 0.51.3664.60橫撐4.61 0.50.6834.60樁腿2.81 0.51.9942.80表 4.4 風(fēng)、浪、流工況下 Y 向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速 31.1m/s）名稱位置ChCsF(kN)作用點(diǎn)M(kNM)工作間6.61133.596.6-400.51樁腿6.11 0.50.29676.10橫撐4.61 0.504.60橫撐4.61 0.51.

27、1954.60樁腿2.81 0.51.9942.80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，將甲板上風(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，而甲板以下部分風(fēng)載荷按照裝腿和橫撐分別受力并作用在各自的幾何中心計(jì)算。表格中“位置”均指構(gòu)件中心距海平面的距離， “合力作用點(diǎn)高度”亦是指合力作用點(diǎn)距海平面的高度。4.2 冰載荷冰載荷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：渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 10 - （4.4）bhRKmKPe21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)；2K 樁柱寬度（或直徑

28、） ；b 冰層計(jì)算厚度。h4.2.2 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：2300kPa；eR由圖紙資料：b=1.2m h=0.45m。則單個(gè)樁腿所受的冰載荷為：51.20.452300=1305kNP 按不考慮“群樁效應(yīng)”進(jìn)行計(jì)算。4.3 波浪、流載荷波浪、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)fD/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 公式計(jì)算： N/m uDCuuDCfMD2421（4.5）式中： 海水密度，kg/m3 ； 垂直于構(gòu)

29、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渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 11 - 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MC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uu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/s2。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 （4.6）221CDDAUCf式中： 阻力系數(shù)； DC 海水密度，kg/

30、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，m2/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，斯托克斯五階波相關(guān)公式如下：波面方程為：（4.7）511cos()niy

31、nk渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 12 -迭代求 L、方程為：（4.8）其中為深水波長(zhǎng)0L（4.9）速度勢(shì)方程為：（4.10）相位角為： （4.11）波形系數(shù)： 速度勢(shì)函數(shù)：其中 、為系數(shù)。iiAiiBiiC4.4 甲板設(shè)備載荷甲板設(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3 個(gè)各 66.7 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。2s4.5 工況和載荷組合工況和載荷組合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353

32、33555241201/()(1)HBBBdd Lddth kdCCLL 51()sin()niLch nk ydnkTkxt12422224353333544445555yyBByBByByB2411113152222224323333544445555()()()AAAAAAAyAyA202gTL渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 13 -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)備重渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)

33、設(shè)計(jì)- 14 -第五章第五章 有限元模型的建立有限元模型的建立本章針對(duì)所選平臺(tái)方案進(jìn)行有限元模型的建立，為進(jìn)一步計(jì)算平臺(tái)的靜力分析、動(dòng)力分析等做準(zhǔn)備工作。本設(shè)計(jì)采用世界大型通用有限元分析軟件ANSYS 進(jìn)行建模及各項(xiàng)分析，本章分為三大部分：ANSYS 簡(jiǎn)介，建模準(zhǔn)備工作，建模步驟等。5.1 ANSYS 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介ANSYS 是世界上著名的大型通用有限元分析軟件，是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) ANSYS 公司開發(fā)，能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。它融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)分析于一體，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、

34、造船、航空航天、汽車交通、土木工程、水利、鐵道等各種工業(yè)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究。ANSYS 軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力分析、電磁分析、聲場(chǎng)分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示等多種圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS 提供了 100 種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。下面對(duì)本文在計(jì)算中使用的單元類型作簡(jiǎn)要介紹。5.1.1 Beam188

35、 單元特性BEAM188 適用于分析細(xì)長(zhǎng)的梁。具有扭切變形效果。BEAM188 是一個(gè)二節(jié)點(diǎn)的三維線性梁。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有 6 或 7 個(gè)自由度，自由度數(shù)目的變化是由 KEYOPT(1)來(lái)控制的。當(dāng) KEYOPT(1) = 0 時(shí) (默認(rèn))，每節(jié)點(diǎn)有 6 個(gè)自由度。 分別是沿 x，y，z 的位移及繞其的轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng) KEYOPT(1) = 1 時(shí),會(huì)添加第七個(gè)自由度 (翹曲量) 。此種單元能很好的應(yīng)用于線性分析，大偏轉(zhuǎn)，大應(yīng)力的非線性分析。BEAM188 包含應(yīng)力剛度，在默認(rèn)情況下，在某些分析中由 NLGEOM 來(lái)打開。 在進(jìn)行彎曲（ flexural） ，側(cè)向彎曲（ lateral） ， 和扭轉(zhuǎn)

36、穩(wěn)渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 15 -定性（torsional stability）分析時(shí)，應(yīng)力剛度應(yīng)該是被打開的。 BEAM188 能夠采用 SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE 和 SECREAD 來(lái)定義任何截面（形狀） 。彈性（elasticity） ，蠕變（creep） ，和塑性（plasticity） 模型都是允許的 (不考慮次截面形狀)。圖 5.1 BEAM188 3-D 線性有限應(yīng)變梁5.1.2 Pipe16 單元特性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

37、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。圖 5.2 Pipe16 的幾何形狀PIPE16 幾何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)， 渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 16 -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

38、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。參見圖 2.4 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。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；類似的，沿 Z 軸，為 90 度。 單元的質(zhì)量可

39、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。5.1.3 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)量包括附加水質(zhì)量和內(nèi)部水質(zhì)量，其余與單元 pipe16 相似。pipe59

40、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。圖 5.3 Pipe59 單元模型圖pipe59 輸入數(shù)據(jù)： 上圖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：渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 17 -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)） ，單元的 Y 軸的方向平行與整體坐標(biāo)的

41、 Y 軸（如圖） 。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。 圖 5.4 Pipe59 單元外載荷參數(shù)方向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，可用于細(xì)長(zhǎng)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，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。5.1.4 Mass21 單元特性Mas

42、s21 單元有 6 個(gè)自由度，三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，不同方向的質(zhì)量和慣性矩可被賦予到相應(yīng)的坐標(biāo)方向進(jìn)行計(jì)算。Mass21 的位置一般會(huì)位于被簡(jiǎn)化區(qū)域的質(zhì)心處，可以采用剛性單元連接分析結(jié)構(gòu)的相接部位，典型的有rbe2,rbe3。rbe2 可以節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連，rbe3 一般是節(jié)點(diǎn)與邊的連接方式。rbe2 是通過(guò)耦合位移自由度的方式傳遞載荷，rbe3（均方加權(quán)剛性單元）根據(jù)質(zhì)量單元與相連接邊上節(jié)點(diǎn)位置自動(dòng)分配載荷給相關(guān)的節(jié)點(diǎn)。渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 18 -5.2 平臺(tái)單元分配平臺(tái)單元分配對(duì)于平臺(tái)的不同部位與結(jié)構(gòu)形式，我們用不同的單元類型來(lái)建模，具體的分配如表 5-1 所示：表 5.1 平

43、臺(tái)單元分配單元類型導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)Beam188甲板工字鋼P(yáng)ipe16泥面以下導(dǎo)管架構(gòu)件Pipe59泥面以上導(dǎo)管架構(gòu)件Mass21平臺(tái)甲板以上部分慣性質(zhì)量5.3 建模準(zhǔn)備工作建模準(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：（5.1）式中，W 為構(gòu)件的抗彎截面系數(shù)（5.2）對(duì)于管單元，慣性矩為zI（5.3）外徑Dd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：（5.4）即：（5.5）maxmaxMWmaxzIWR4464zIDd23WWW32maxmax2max3zzzII

44、IRRR渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 19 -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：將代入可得：由2DD（5.6）代入構(gòu)件尺寸有 d4=11504-（10004-9604）=1.568101210001200 d=1119.1mm則可得到等效壁厚為 t(1200-1119.1)/240.5mm5.4 建模步驟建模步驟）創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)根據(jù)原始圖紙，計(jì)算出各關(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) 53 個(gè)，一些關(guān)鍵點(diǎn)是由 ANSYS 程序“Preprocessor Modeling Mo

45、ve/Modify Keypoints”操作鏡像而來(lái)。部分關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如表 5.2 所列，由于其數(shù)量較多，其余不一一列舉。表 5.2 部分關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)NO.X，Y， Z LOCATION1706.62046.630-46.6maxmax2RRmax23max3zzzRIIIR444444max22233max3RDdDdDdR4444max2233max3RddDdR4464zIDd渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 20 -4706.15046.160-46.1711.160-238-2.08-7.60-239-2.087.60-23 199.730-13 20-1.36-6.36-1321-1.

46、366.36-13 ）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型：渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 21 -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(shí)常數(shù)：選擇菜單路徑“ Preproc

47、essor Real Constants Add select Type * * OKinput ” ，選擇需要添加實(shí)常數(shù)的單元類型。本平臺(tái)模型共創(chuàng)建了 7 種單元常量（Set 1Set 7） ，各單元常量及其單元屬性如下：表 5.3 Pipe 59 及 pipe 16 實(shí)常數(shù)輸入編號(hào)Set 1Set 2Set 3Set 4Set 5Set 6Set 7單元類型Pipe 59Pipe 59Pipe59Pipe 59Pipe 16Pipe 16Pipe 59外徑DO(m)1.210.550.3511.20.61壁厚TWALL(m)0.04050.030.020.020.030.04050.03表

48、 5.4 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(kg/m3)1.4211表 5.5 Mass 21 實(shí)常數(shù)X 方向質(zhì)量 MASS-X (kg)Y 方向質(zhì)量 MASS-Y (kg)Z 方向質(zhì)量 MASS-Z (kg)666676666766667(建模過(guò)程中，在三根樁腿頂部各加一個(gè) 66.7 噸的 Mass21 質(zhì)量單元，用于模擬總重為 200 噸的平臺(tái)上部模塊)表 5.6 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渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)

49、- 22 -0.3m0.3m0.6m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 t30.025m0.025m0.025m 表 5.7 Beam 188 實(shí)常數(shù)輸入(甲板次梁采用工字梁，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 W30.2m0.2m0.5m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 t30.02m0.02m0.02m）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11100.3，菜單路徑 “Preprocessor Material Props Mater

50、ial 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 3mMaterial 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)2DEPTH（水深）DENSW（海水密度）w（波向角）131028 定義海流：Z(j)（海流深度

51、m）W(j)（海流速度 m/s）d(j)（流向角）01.36渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 23 -6.51.23-131.09 定義波浪：A(i)（波高）(i)（周期）(i)（相位角）5.18.2 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(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，見表5.7：表 5.8 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1Airy 波理論2Stokes 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“Solu

52、tion Define Loads Apply Structural Inertia Gravity Global” ，在 ACELZ（Z 向加速度）項(xiàng)中填入 9.8。）劃分網(wǎng)格把單元類型賦給幾何模型對(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)格劃分渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 24 -在“

53、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“mesh”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 ” ，拾取模型最下面的三點(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 8 倍樁徑固支。最終生成模型如圖 5.6：圖 5.6 平臺(tái)有限元模型渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 25 -第六章第六章 平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜力分析本章對(duì)平臺(tái)

54、的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，采用 ANSYS 有限元軟件對(duì)平臺(tái)在波流工況（） 、波流工況（） 、海冰工況（）以及海冰工況（）下的平臺(tái)的位移變化情況和靜力分布情況進(jìn)行分析。6.1 平臺(tái)位移平臺(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)最大位移工況主要載荷和作用方向X 方向位移（cm）Y 方向位移(cm)合位移(cm)波流工況(1）波流力+風(fēng)力 01.620.111.74波流工況(2）波流力+風(fēng)力 900.560.981.67海冰工況(1）冰流力+風(fēng)力 07.920.1

55、97.94海冰工況(2）冰流力+風(fēng)力 900.208.258.64各工況位移圖如下：渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 26 -圖 6.1 波流工況(1）位移圖圖 6.2 波流工況(2）位移圖圖 6.3 海冰工況（1）位移圖渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 27 -圖 6.4 海冰工況（2）位移圖由以上結(jié)論可得：平臺(tái)頂部的最大水平 X 位移發(fā)生在海冰工況（2）下，為 0.20cm；平臺(tái)頂部的最大水平 Y 位移發(fā)生在海冰工況（2）下，為 8.24cm；平臺(tái)頂部的最大水平合位移發(fā)生在海冰工況（2）下，為 8.64cm。6.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核使用 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件可對(duì)平臺(tái)的各工況進(jìn)行

56、結(jié)構(gòu)靜力分析，后處理器可輸出結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力。各工況平臺(tái)最大單元應(yīng)力見下表，各工況應(yīng)力云圖見下。表 6.2 各工況平臺(tái)最大單元應(yīng)力工況主要載荷和作用方向最大單元應(yīng)力(MPa)波流工況（1）波流力+風(fēng)力 031波流工況（2）波流力+風(fēng)力 9032海冰工況（1）冰流力+風(fēng)力 0135渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 28 -海冰工況（2）冰流力+風(fēng)力 90152圖 6.5 波流工況(1）應(yīng)力云圖31MPa32MPa渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 29 -圖 6.6 波流工況（2）應(yīng)力云圖圖 6.7 海冰工況（1）應(yīng)力云圖圖 6.8 海冰工況（2）應(yīng)力云圖152MPa135MPa渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁

57、腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 30 -各工況下部分構(gòu)件單元應(yīng)力比如下：表 6.3 波流工況(1）各構(gòu)件單元應(yīng)力比構(gòu)件名稱型常數(shù)單元編號(hào)屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa)應(yīng)力比74231522.9810.073 75131529.3310.093 752315 30.7620.098 導(dǎo)管架導(dǎo)管12002586231523.7560.075 82131549.3990.157 82231554.3380.173 82831532.8580.104 樁腿10003083431531.2490.099 91531520.3190.065 EL+4.60 橫撐5502092031521.0000.067 7113

58、1512.1310.039 EL-4.00 橫撐5502071431517.9630.057 65931511.0240.035 EL-13.00 橫撐5502067931519.4560.062 68031521.6850.069 88331521.5200.068 88431526.8210.085 斜撐6103089331516.8380.053 表 6.4 波流工況(2）各構(gòu)件單元應(yīng)力比構(gòu)件名稱型常數(shù)單元編號(hào)屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa) 應(yīng)力比74231510.1380.032 75131513.6900.043 75231514.3500.046 導(dǎo)管架導(dǎo)管12002586

59、231513.5840.043 82131518.0970.057 82231519.6370.062 82831515.8830.050 樁腿10003083431526.6010.084 91531511.0320.035 EL+4.60 橫撐550209203159.04810.029 7113156.54200.021 EL-4.00 橫撐550207143154.12380.013 EL-13.00 橫撐550206593155.05560.016 渤海埕島油田簡(jiǎn)易三樁腿平臺(tái)設(shè)計(jì)- 31 -6793153.00130.010 6803153.76840.012 8833156.575

60、30.021 8843159.75320.031 斜撐610308933157.18850.023 表 6.5 海冰工況(1）各構(gòu)件單元應(yīng)力比構(gòu)件名稱型常數(shù)單元編號(hào)屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa) 應(yīng)力比742315116.880.371 751315116.550.370 752315126.380.401 導(dǎo)管架導(dǎo)管120025862315119.840.380 821315211.710.672 822315234.930.746 828315168.070.534 樁腿100030834315155.670.494 91531586.4250.274 EL+4.60 橫撐5502