基于ANSYS固定式平臺(tái)的瞬態(tài)響應(yīng)分析

1、江蘇科技大學(xué)2010屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于ANSYS固定式平臺(tái)的瞬態(tài)響應(yīng)分析系部：專業(yè)名稱：船舶與海洋工程班級(jí)：學(xué)號(hào)：作者：指導(dǎo)教師：二零一零年六月江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文基于ANSY限定式平臺(tái)的瞬態(tài)響應(yīng)分析ThetransientvibrationanalysisoffixedplatformbasedonANSYS江蘇科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書系部：一專業(yè)：船舶與海洋工程學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：職稱：2020年3月10日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于ANSYS勺固定式平臺(tái)瞬態(tài)分析.課程性質(zhì)（請(qǐng)?jiān)谙鄳?yīng)的選項(xiàng)上打勾）口縱向課題口已簽約的橫向課題口未簽約的橫向課題口實(shí)驗(yàn)室建設(shè)課題口模擬性課題口學(xué)生

2、自選人文課題.課題類型（請(qǐng)?jiān)谙鄳?yīng)的選項(xiàng)上打勾）口工程設(shè)計(jì)（實(shí)踐）口理論研究口實(shí)驗(yàn)研究口計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)口綜合一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、達(dá)到的指標(biāo)和應(yīng)做的實(shí)驗(yàn)等）1提供條件：海洋平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)、參數(shù)，海域波浪參數(shù)，計(jì)算機(jī)及計(jì)算軟件等2設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求：（1）掌握有限元的基本方法及結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相關(guān)理論（2）學(xué)習(xí)有限元軟件ANSYS并掌握其靜力、動(dòng)力分析方法（3）利用ANSY歆件建立固定式海洋平臺(tái)模型，并對(duì)所建模型的進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算（4）對(duì)固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)及其諧響應(yīng)進(jìn)行分析、完成后應(yīng)交的作業(yè)（包括各種說(shuō)明書、圖紙等）.畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份（

3、不少于萬(wàn)字）；.外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；.動(dòng)力分析有限元模型及結(jié)果文件。三、完成日期及進(jìn)度自2010年4月12日起至2010年6月11日止進(jìn)度安排：4.12-4.25收集相關(guān)資料學(xué)習(xí)有限元理論，掌握有限元的基本方法，學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相關(guān)理論4.26-5.9學(xué)習(xí)有限元軟件ANSYS并掌握其靜力、動(dòng)力分析方法5.10-5.16利用ANSY歆件建立固定式海洋平臺(tái)模型5.17-5.30對(duì)所建模型的進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算5.31-6.11對(duì)固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)及其諧響應(yīng)進(jìn)行分析，完成論文四、主要參考資料（包括書刊名稱、出版年月等）：.李治彬.海洋工程結(jié)構(gòu)M.

4、哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999.曾攀.有限元基礎(chǔ)教程M.北京：高等教育出版社，2009.唐友剛.海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)M.天津：天津大學(xué)出版社2008.尚曉江，邱峰，趙海峰等.ANSYS吉構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用M.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008系（教研室）主任：一（簽章）年月日學(xué)院主管（系）領(lǐng)導(dǎo)：（簽章）年月日摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展，人們對(duì)能源的需求不斷擴(kuò)大，海洋石油資源慢慢成為新的能源增加點(diǎn)。海洋石油平臺(tái)作為實(shí)現(xiàn)海上能源開發(fā)的最有效工具之一，尋求其結(jié)構(gòu)的平安適用性和最正確經(jīng)濟(jì)效益，一直是設(shè)計(jì)

5、、利用、檢測(cè)和保護(hù)中專門關(guān)注的問(wèn)題。作為海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，海洋平臺(tái)的平安特性愈來(lái)愈受到人們的重視。本文以某導(dǎo)管架勢(shì)固定平臺(tái)為研究對(duì)象，基于大型有限元分析軟件ANSYS件平臺(tái)，別離采納ANSYS靜力分析、模態(tài)分析和瞬態(tài)分析功能，研究了平臺(tái)在風(fēng)載、波浪力作用下的受力特點(diǎn)，取得了平臺(tái)的模態(tài)振動(dòng)規(guī)律，取得了平臺(tái)在不同碰撞下的力學(xué)特性和位移響應(yīng)情形。分析結(jié)果顯示，該平臺(tái)具有較好的抗風(fēng)、抗波浪力能力，但應(yīng)幸免平臺(tái)的低頻振動(dòng)和較大強(qiáng)度的沖擊載荷，而且平臺(tái)樁腿和支撐桿始終是其較為薄弱的構(gòu)件。關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；受力分析；ANSY軟件；振動(dòng)；沖擊載荷AbstractWiththedevelopment

6、ofsocialeconomy,peoplehaveexpandedunceasinglytotheenergy.Gradually,theseapetroleumbecomesthenewgrowthpointofenergy.Theoceanplatformisoneofthemosteffectiveisamatterofseriouslyconcernedindesire,using,examinationandmaintenance.Thesafetyanalysisofoffshoreplatformaremoreandmoreimportant,becausetheoffshor

7、eplatformisthebasicestablishmentformarineoilandgasexploitation.Certainjackettypefixedplatformisthestudyobject,andtheANSYSsoftwareisthestudybase.ThemechanicalcharacteroftheoffshoreplatformsufferingfromwindandwaveforcewasresearchedbyvirtueofANSYSstaticanalysismodule.Thevibrationlawofoffshoreplatformwa

8、sobtainedbymeansofmodalanalysismodule.Andthemechanicalcharacteranddisplacementresponseweregaineddependingontransientdynamicanalysismodule.Theresearchresultsshowthat,thisplatformhasthegoodabilitytoresistwindandwaveforce.However,thelow-frequencyvibrationandhigherimpactontheplatformshouldbeavoided.What

9、smore,thejacketlegandknightheadarealwaysinfirm.Keywords:offshoreplatform;forceanalysis;ANSYSsoftware;vibration;impactload目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第一章緒論1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 課題的研究背景和意義1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 研究背景1 HYPERLINK l

10、 bookmark28 o Current Document 課題的意義2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 導(dǎo)管架平臺(tái)的組成及進(jìn)展概況3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 海洋平臺(tái)振動(dòng)分析3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 論文的要緊工作8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第二章結(jié)構(gòu)分析的大

11、體理論與分析軟件介紹8 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 有限元技術(shù)的進(jìn)展9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 有限元法的誕生及進(jìn)展9 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 現(xiàn)今國(guó)際有限元法的進(jìn)展趨勢(shì)11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 有限元法的大體理論12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 有限元法的大體思想12 HYPERLINK l book

12、mark52 o Current Document 有限元法的特點(diǎn)13 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 有限元法的計(jì)算思路14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document ANSYS軟件介紹16 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document ANSYS軟件的進(jìn)展16 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document ANSYS的特點(diǎn)17ANSYS的分析流程18 HYPERLINK l bookmark64 o Current Doc

13、ument 第三章海洋平臺(tái)載荷分析22 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 載荷分類與載荷概念22利用荷載22 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.1.2環(huán)境載荷23 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 波浪載荷25 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 作用于孤立樁柱上的波浪力計(jì)算25 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 3.3.2水下水平構(gòu)件的波浪力3

14、0 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 第四章平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反映分析34 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 單自由度的動(dòng)力反映35 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 成立運(yùn)動(dòng)方程35 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 自由振動(dòng)反映36 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 諧振荷載反映38周期性荷載作用下的反映42多自由度系統(tǒng)動(dòng)力反映43質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)方程的成

15、立43振型與頻率計(jì)算46結(jié)構(gòu)的物理特性46振動(dòng)頻率分析47陣型分析48第五章海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析49平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模型成立49結(jié)構(gòu)建模的整體計(jì)劃49幾何模型的成立51劃分網(wǎng)格53海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析53計(jì)算模態(tài)解53觀看結(jié)構(gòu)模型的各階模態(tài)振型55海洋平臺(tái)諧響應(yīng)分析60諧響應(yīng)分析應(yīng)用60ANSYS的三種求解方式60對(duì)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析60沖擊載荷作用下海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)63瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析63沖擊載荷作用下海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)63結(jié)論66致謝67參考文獻(xiàn)68第一章緒論課題的研究背景和意義研究背景隨著社會(huì)的進(jìn)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會(huì)對(duì)能源的需求愈來(lái)愈大。當(dāng)陸上油氣資源經(jīng)太長(zhǎng)時(shí)期大規(guī)模的開發(fā)以后

16、，世界范圍的油氣勘探與開發(fā)轉(zhuǎn)向了資源豐碩的占地球表謠71左右的遼闊的海洋，并慢慢形成了投資高、風(fēng)險(xiǎn)大而且高新技術(shù)密集的能源工業(yè)新領(lǐng)域。海洋石油開發(fā)是海洋資源開發(fā)利用的一部份。目前世界上已有39個(gè)國(guó)家（或地域）從事近海石油開發(fā)，22個(gè)國(guó)家（或地域）從事近海天然氣開發(fā)。迄今為止，世界上約有430個(gè)海上油田，年產(chǎn)油量約占世界原油總產(chǎn)量的25。我國(guó)海域遼闊，其中大陸架面積約有110萬(wàn)平方千米，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)平方千米以上，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)海上石油天然氣開發(fā)的豐碩資源基礎(chǔ)。而我國(guó)海洋石油勘探開

17、發(fā)的歷程起始于1957年，從1957至1979年是我國(guó)海上石油開采的探討時(shí)期，22年共開采原油96萬(wàn)噸；從1979年海上石油開發(fā)實(shí)行對(duì)外開放以來(lái)，我國(guó)的海上石油開發(fā)進(jìn)入高速進(jìn)展期，到2000年生產(chǎn)能力已達(dá)到2000萬(wàn)噸；估量到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。海洋平臺(tái)，作為鉆井采油和生活供給等多種用途的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其技術(shù)進(jìn)展和供求轉(zhuǎn)變直接取決于海洋石油開發(fā)的進(jìn)展。到目前為止，世界各國(guó)所擁有的各類平臺(tái)近一萬(wàn)座，其中除極少數(shù)鋼筋混凝土平臺(tái)之外。大多數(shù)都是鋼結(jié)構(gòu)固定式平臺(tái)。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專門是與陸地結(jié)構(gòu)相較，它所處的海洋環(huán)境十分惡劣

18、，海風(fēng)、海浪、海冰和潮汐不時(shí)作用于結(jié)構(gòu)。同時(shí)還受到地震作用的要挾，在此環(huán)境條件下，環(huán)境侵蝕和海生物附著等不利因素都將致使平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力衰減，阻礙結(jié)構(gòu)的平安性和耐久性。歷史上曾有過(guò)量次海洋平臺(tái)事故，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)阻礙。例如，1965年英國(guó)北海的海上鉆石號(hào)鉆井平臺(tái)支柱拉桿脆性斷裂，平臺(tái)沉沒(méi)致使123人死亡；1969年，我國(guó)渤海2號(hào)平臺(tái)被海冰推倒，造成直接經(jīng)濟(jì)損失2000多萬(wàn)元。這些慘重的教訓(xùn)給海洋資源開發(fā)以專門大的警示，同時(shí)也促使國(guó)內(nèi)外海洋石油部門加倍盡力并投入巨資研究海洋平臺(tái)的關(guān)鍵科學(xué)閻題，使海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保護(hù)和平安提高到一個(gè)新的水平，從而為海洋油氣資源的平安開采提

19、供靠得住的保證。海上固定式平臺(tái)通過(guò)幾十年的進(jìn)展，已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。固定式平臺(tái)安裝水深不斷增加，新型結(jié)構(gòu)平臺(tái)大量涌現(xiàn)，單一平臺(tái)具有多種功能。可是固定式平臺(tái)研究還有很多課題有待解決，第一是平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式的選擇，包括各類固定平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)水深；適于不同海洋環(huán)境條件的平臺(tái)型式。第二是平臺(tái)動(dòng)力反映分析，包括結(jié)構(gòu)流體與基礎(chǔ)彼此作用；柔性支撐平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力反映分析：結(jié)構(gòu)在地震作用下危險(xiǎn)性分析及平安度。第三是管結(jié)點(diǎn)疲勞破壞研究，包括海上固定式平臺(tái)在隨機(jī)荷載作用下，結(jié)點(diǎn)的疲勞破壞機(jī)理研究；成立S-N曲線；熱點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)研究；疲勞分析方式的研究。最后是靠得住性工程在平臺(tái)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)中存在

20、的各類可能失效形式；荷載概率模型成立和荷載效應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析方式；失誤和事故引發(fā)的平臺(tái)失效概率統(tǒng)計(jì)分析；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靠得住性分析方式等。課題的意義海洋平臺(tái)是海洋油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地，其平安性能是確保海上油氣生產(chǎn)和作業(yè)人員人身平安的重要保障。但由于海洋平臺(tái)在惡劣的環(huán)境下工作，受到地震、波浪、風(fēng)力、冰載及平臺(tái)上的機(jī)械和設(shè)備各類載荷的作用，會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的振動(dòng)。有害的振動(dòng)會(huì)阻礙人體的健康，使儀器小能正常的利用，嚴(yán)峻的還會(huì)致使平臺(tái)的損壞。如海洋平臺(tái)的冰激振動(dòng)曾造成過(guò)重大損失。例如W12-I海洋平臺(tái)是一座鋼質(zhì)導(dǎo)管梨式采油平行，座落于南中國(guó)海海域，是中海石油（中國(guó)）湛江分公司經(jīng)營(yíng)的現(xiàn)代

21、化海上油田。該平臺(tái)投資2億美元，由國(guó)外知名公司發(fā)計(jì)制造，1999年投產(chǎn)，年產(chǎn)值超過(guò)20億元人民幣。平臺(tái)在生產(chǎn)進(jìn)程中顯現(xiàn)了振動(dòng)過(guò)人的現(xiàn)象，致使整個(gè)平臺(tái)嚴(yán)峻哆嗦，直接阻礙甲臺(tái)上的正常上產(chǎn)和生活。因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們采納多種手腕來(lái)分析研究各類載荷對(duì)海洋平臺(tái)的阻礙情形，試圖從全然上解決其平安問(wèn)題。但海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，傳統(tǒng)的分析方式由于計(jì)算進(jìn)程繁雜、計(jì)算量大等緣故難以對(duì)平臺(tái)整體的平安狀況及各局部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)給予準(zhǔn)確計(jì)算。本文借助于大型CAEt彳ANSYS勺壯大功能，以國(guó)內(nèi)某一周定式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，通過(guò)成立適當(dāng)?shù)钠脚_(tái)有限元模型，分析平臺(tái)在海洋波浪力下的受力狀況，同時(shí)針對(duì)各類振動(dòng)載荷對(duì)海洋平臺(tái)

22、的阻礙，進(jìn)行平臺(tái)的瞬態(tài)分析，從而為海洋平臺(tái)的給出較為全面的平臺(tái)平安狀況評(píng)判。國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)導(dǎo)管架平臺(tái)的組成及進(jìn)展概況導(dǎo)管架平臺(tái)要緊由兩大部份組成1。一部份是由導(dǎo)管架和鋼管樁組成，用來(lái)支承上部設(shè)施與設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通常稱為支承結(jié)構(gòu)；一部份是由甲板及其上的設(shè)各組成，做為搜集和處置油氣、生活及其他用途的場(chǎng)所，統(tǒng)稱為上部設(shè)施與設(shè)備。導(dǎo)管架是由腿柱和連接腿柱的縱橫桿系所組成的空間構(gòu)架。腿柱是中空的，鋼管樁通過(guò)腿柱打入海床，以便固定導(dǎo)管架；縱向與橫向聯(lián)系稱為支撐，用于傳遞水平荷載，保證結(jié)構(gòu)在旌工和安裝中整體穩(wěn)固。腿柱和樁一起作用組成了導(dǎo)管架平臺(tái)的支承結(jié)構(gòu)。位于樁頂以上，由板、梁或立柱等組成的支撐框架結(jié)構(gòu)穗

23、為甲板結(jié)構(gòu)。在海洋開發(fā)中，普遍采納導(dǎo)管架平臺(tái)是由于導(dǎo)管架平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：(1)平臺(tái)的支承結(jié)構(gòu)是以圓鋼管為要緊構(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)固性。(4)平臺(tái)能夠在陸上分塊預(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)踐體會(huì)多，適用性強(qiáng)。1947年在美國(guó)成功安裝了世界上第一座設(shè)備齊全的鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)，開辟了海洋開發(fā)的新時(shí)期。我國(guó)第一座導(dǎo)管架平臺(tái)是1966年12月底成功安裝在渤海灣水深6米處的油田上。它做為我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的首座海

24、上鉆井裝置載入我國(guó)海洋油氣開發(fā)史冊(cè)。我國(guó)目前已建成利用的海洋平臺(tái)有30余座，平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式主若是鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)。目前，我國(guó)在海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)施工和理論研究等方面都取得了專門大成績(jī)，可是和世界先進(jìn)國(guó)家相較還有專門大差距，這就要求工程技術(shù)人員及科研工作者不斷盡力，為我國(guó)的油氣事業(yè)做出更大的奉獻(xiàn)。1.2.2海洋平臺(tái)振動(dòng)分析隨著海洋石油工業(yè)的進(jìn)展，通常要在比較惡劣的海域建造各類平臺(tái)，以適應(yīng)海上鉆井采油作業(yè)的需要。而這些平臺(tái)設(shè)計(jì)，波浪力往往是設(shè)計(jì)操縱荷載。在以往的設(shè)計(jì)中，一樣都把隨機(jī)的海浪作為規(guī)那么波來(lái)處置，以此求出作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的最大外力，然后依照靜力的方式來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力，來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)的平安度。實(shí)踐

25、證明，波高最大的波并非一定引發(fā)平臺(tái)內(nèi)最大應(yīng)力的波，而那些頻率與平臺(tái)結(jié)構(gòu)自振頻率接近、波高較小的波在接近共振點(diǎn)時(shí)，那么結(jié)構(gòu)變形增大，現(xiàn)在結(jié)構(gòu)可能處于危險(xiǎn)狀態(tài)。這說(shuō)明，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，僅僅考慮靜力效應(yīng)是不充分的，而須考慮動(dòng)力作用對(duì)結(jié)構(gòu)的阻礙，進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。海洋平臺(tái)在海洋波浪、海流、風(fēng)和地震等作用下，將產(chǎn)生慣性力和拖曳力復(fù)雜的彼此作用，引發(fā)海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)。隨著海水深度的增加，平臺(tái)的相對(duì)柔性也慢慢增加，與其振動(dòng)相關(guān)的自然頻率也愈來(lái)愈低。當(dāng)這些低頻成份趨近于海洋波浪的頻帶寬時(shí)，將發(fā)生龐大的能量集中，從而引發(fā)海洋平臺(tái)響應(yīng)的嚴(yán)峻后果。因此，研究平臺(tái)的振動(dòng)或動(dòng)力響應(yīng)變得超級(jí)重要。除作用于平臺(tái)的環(huán)境

26、載荷外，上述載荷顯然不是確信的、而是隨機(jī)的。因此，需要能反映深水海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力和隨機(jī)特性的分析和設(shè)計(jì)方式。王均剛2對(duì)海洋平臺(tái)在隨機(jī)波浪載荷和地震載荷作用下的振動(dòng)進(jìn)行研究，并研究了ETMD勺振動(dòng)操縱成效，說(shuō)明了ETMIM振系統(tǒng)能有效的操縱海洋平臺(tái)的振動(dòng)。ANaessaf3等用蒙特卡羅法估量受嚴(yán)酷的氣候條件下，深海平臺(tái)呈現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)行為的極端反映，并將該方式應(yīng)用在挪威的Kvitebjorn平臺(tái)結(jié)構(gòu)。暴風(fēng)雨，颶風(fēng)和地震，可能造成海底不穩(wěn)固。尤其是在海底比較薄弱的地域，這些因素將對(duì)海洋平臺(tái)造成更大的破壞，YasserE4等研究了海底不穩(wěn)固對(duì)平臺(tái)的阻礙。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在波浪等環(huán)境荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)存在

27、較為復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的隨機(jī)響應(yīng)分析采納考慮結(jié)構(gòu)與波浪相對(duì)運(yùn)動(dòng)的復(fù)模態(tài)理論進(jìn)行分析，將使海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析更為精準(zhǔn)和合理。周煥廷等5研究了海洋平臺(tái)在隨機(jī)波浪動(dòng)力作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，運(yùn)用復(fù)模態(tài)理論對(duì)運(yùn)動(dòng)方程中的非經(jīng)典阻尼進(jìn)行了解耦，取得了結(jié)構(gòu)的數(shù)值解，與傳統(tǒng)近似對(duì)角化方式結(jié)果相較具有精度高、計(jì)算速度快的特點(diǎn)。對(duì)平臺(tái)的動(dòng)力分析計(jì)算，即是要求解平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程，可是在平臺(tái)設(shè)計(jì)的初始時(shí)期，往往無(wú)法明白詳細(xì)的結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量散布的細(xì)節(jié)，也就無(wú)法進(jìn)行平臺(tái)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算，張假設(shè)瑜等6針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的初始設(shè)計(jì)時(shí)期，提出了振動(dòng)響應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方式?？紤]主導(dǎo)管結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，將平臺(tái)處置

28、為底部固定的自由散布柔性體系，假定平臺(tái)的質(zhì)量和剛度沿高度線性散布?？紤]導(dǎo)管架的一階模態(tài)振動(dòng)，采納模態(tài)分析方式，成立了導(dǎo)管架的廣義振動(dòng)方程，確信其等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼。隨著有限元技術(shù)的進(jìn)展，能夠幫忙人們高速、高效、高精度的對(duì)平臺(tái)進(jìn)行的振動(dòng)研究。YasserE等7用p-y、t-z、q-z動(dòng)態(tài)特性曲線模擬樁土的彼此作用，對(duì)海上固定平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。王世圣等網(wǎng)成立了JZ20-2MUQF臺(tái)的有限元模型，采納動(dòng)力有限元方式對(duì)其進(jìn)行有限元計(jì)算，研究平臺(tái)的結(jié)構(gòu)因素對(duì)平臺(tái)動(dòng)力特性的阻礙。各類海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，專門是大型建筑物如張力腿平臺(tái)，通常由混凝土樁作為基礎(chǔ)單元。在設(shè)計(jì)一個(gè)平臺(tái)樁的進(jìn)程中，應(yīng)力散布通常

29、作為一個(gè)大的主導(dǎo)因素。在軸向和橫向波浪載荷下，為了更準(zhǔn)確和更有效地設(shè)計(jì)平臺(tái)樁，JAEicherfll9等在混凝土樁的相似載荷下，應(yīng)用有限元模型確信應(yīng)力和位移。研究參數(shù)說(shuō)明，應(yīng)力散布受不斷轉(zhuǎn)變的負(fù)荷阻礙。平臺(tái)的局部振動(dòng)，會(huì)造成平臺(tái)的破壞和平臺(tái)上的設(shè)備不能正常工作。由于海洋平臺(tái)在工作期間要緊經(jīng)受波浪、流、風(fēng)、冰及地震等各類不同的荷載及它們引發(fā)的聯(lián)合隨機(jī)荷載作用。因此，人們對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)分析，便集中在這些載荷上。波浪載荷作用下的振動(dòng)分析波浪載荷是平臺(tái)強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與平安評(píng)估中一個(gè)超級(jí)重要的載荷之一，隨著平臺(tái)設(shè)計(jì)向深海區(qū)域進(jìn)展，波浪對(duì)海洋平臺(tái)的動(dòng)力作用越發(fā)顯著10，正確計(jì)算波浪載荷對(duì)結(jié)構(gòu)平安性具有重

30、要意義。海洋平臺(tái)工作水深不同，結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷也不同，應(yīng)選用不同的波浪理論進(jìn)行計(jì)算。波浪理論的種類繁多，但在工程實(shí)際應(yīng)用中，適用于不同水深范圍的波浪理論有微幅波理論、斯托克斯五階波理論、橢圓余弦波理論、孤立波理論。在工程計(jì)算中應(yīng)依照具體情形選擇適合的波浪理論。鄭雪坤等11研究導(dǎo)管架海洋平臺(tái)的要緊種類和結(jié)構(gòu)，選取不同的波浪理論來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的波浪力，提出了導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析模型化的概念。海洋平臺(tái)長(zhǎng)期作業(yè)于復(fù)雜海況當(dāng)中，海洋環(huán)境條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取成為決定平臺(tái)平安、結(jié)構(gòu)型式和工程造價(jià)的關(guān)鍵因素之一。面對(duì)諸多自然因素的作用，我國(guó)現(xiàn)有海洋工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采納的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)能考慮多種環(huán)境因素聯(lián)合顯現(xiàn)的概率，往往過(guò)高估

31、量環(huán)境設(shè)計(jì)條件，造成投資本錢的增加，乃至使得部份邊際油田難以開采。20世紀(jì)80年代以來(lái)，海洋工程界慢慢認(rèn)可了基金聯(lián)合概率的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。例如，被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)APIRP2A-LRFD（1995，）在概念極端條件風(fēng)速、波高和海流荷載時(shí)，給出以下三種概念12：一、重現(xiàn)期為一百年的波高及“相應(yīng)的”風(fēng)速和海流；二、風(fēng)速、波高和流速的任何“合理”組合，其結(jié)果取得百年一遇的組合平臺(tái)響應(yīng)，如基底剪力或傾覆力矩；三、將百年一遇的風(fēng)速、百年一遇的流速和百年一遇的波高進(jìn)行組合。其中，概念3是推算環(huán)境要素設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)方式，即單因素設(shè)計(jì)法，它往往過(guò)于保守；概念l中的“相應(yīng)”一詞的意義較模糊；概念2中“任何合理

32、組合”使得不同的設(shè)計(jì)者有不同明白得，可能取得完全不同的結(jié)果。但是API對(duì)前2種概念并未給出具體做法。事實(shí)上，概念1和2都是基于聯(lián)合概率的方式，而多維非正態(tài)、相關(guān)變量的聯(lián)合概率模型的構(gòu)造和求解，一直是人們不斷研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一13。目前，這方面的功效可歸納為以下三類：一、隨機(jī)模擬法?；谥攸c(diǎn)抽樣法，Liu14對(duì)風(fēng)、浪、流作用下的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了計(jì)算。二、結(jié)構(gòu)響應(yīng)法。由于重點(diǎn)抽樣法存在非單一解的困難，有人轉(zhuǎn)而統(tǒng)計(jì)某種結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用的傾覆力矩，從而確信連年一遇的環(huán)境條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。三、多元極值理論。Yue15等將二岡貝爾散布用于水文中的概率分析；Liu16等提出了二維泊松混合

33、岡貝爾散布并用于嵊泗海區(qū)臺(tái)風(fēng)海浪的計(jì)算。董勝等17提出了聯(lián)合概率法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，比較了多種標(biāo)準(zhǔn)所得設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，給出了適合工程所在海區(qū)的環(huán)境荷載參數(shù)。TorgeirMoana等18研究了海洋平臺(tái)在二階非線性隨機(jī)波下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，說(shuō)明用頻域分析法要優(yōu)于時(shí)域分析法，而且發(fā)覺(jué)非線性的波動(dòng)在深海處將引發(fā)更大的波浪力和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。M.Luo19等研究了海洋平臺(tái)在波浪作用下的響應(yīng)，并分析得出非線性隨機(jī)最優(yōu)操縱器與LQCS縱器相較具有更好的操縱成效和效率。B、地震載荷作用下的振動(dòng)分析我國(guó)地處世界上兩個(gè)最活躍的地震帶，是多地震發(fā)生的國(guó)家之一。在我國(guó)多地震發(fā)生的海域修建平臺(tái)必需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，地震對(duì)平臺(tái)的破壞與地震烈

34、度和本地土壤等因素有關(guān)。地震屬于偶然作用，偶然作用效應(yīng)要緊指地震效應(yīng)加上其他作用效應(yīng)，到目前為止，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均以為其他作用效應(yīng)較地震效應(yīng)小很多，偶然作用效應(yīng)的組合按一樣抗震標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行。地震作用不同于一樣動(dòng)力載荷，是一種隨機(jī)過(guò)程，不管在時(shí)刻、空間和強(qiáng)度上都具有很強(qiáng)的模糊性和隨機(jī)性。結(jié)構(gòu)內(nèi)所受到的地震作用是由地面運(yùn)動(dòng)引發(fā)的，這些作用的大小取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度，和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。關(guān)于平臺(tái)地震響應(yīng)的要求，有強(qiáng)度要求和延性要求兩個(gè)方面。強(qiáng)度要求確實(shí)是要保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)在利用期內(nèi)，在不超過(guò)預(yù)期的地震載荷作用下，平臺(tái)或其基礎(chǔ)不發(fā)生嚴(yán)峻破壞。地震標(biāo)準(zhǔn)的選擇受海洋環(huán)境條件的阻礙，本地震與海洋環(huán)境條件都十分惡劣時(shí)，彼

35、此作用的阻礙就超級(jí)顯著。成功淺海油田的水深較淺（30m之內(nèi)），但波浪、流、潮等環(huán)境條件惡劣，海底土壤條件復(fù)雜，又處于地震活躍帶，因此在設(shè)計(jì)上通常選取8級(jí)烈度地震作為地震操縱載荷。延性要求是確保平臺(tái)具有充分吸收能量的能力，幸免在平臺(tái)所處的海域發(fā)生概率極小的偶然強(qiáng)烈地震時(shí)，平臺(tái)發(fā)生倒塌破壞。梁永超等20探討了對(duì)淺海固定平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)的要求及其分析方式?，F(xiàn)實(shí)中地震發(fā)生時(shí)平臺(tái)會(huì)同時(shí)受到地震和波浪載荷的聯(lián)合作用，因此有必要研究海洋平臺(tái)在地震與波浪聯(lián)合作用下的動(dòng)力特性。何曉宇等21針對(duì)地震與波浪聯(lián)合作用下空間導(dǎo)管架勢(shì)海洋夕平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行研究。LiHN22等計(jì)算三種地震設(shè)防烈度（7度、

36、8度和9度）下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。C、冰載荷作用下的振動(dòng)分析在渤海油氣開發(fā)中，海冰是阻礙冰區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆采施工、生產(chǎn)作業(yè)的重要季節(jié)性海洋環(huán)境條件。在海冰作用下，海洋結(jié)構(gòu)的猛烈振動(dòng)直接要挾到生產(chǎn)設(shè)備的平安運(yùn)行，同時(shí)也阻礙到現(xiàn)場(chǎng)工作人員的正常生活。因此，對(duì)冰激結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而對(duì)危險(xiǎn)冰情進(jìn)行預(yù)警，以便采取及時(shí)有效的抗冰、防冰方法是保障冰區(qū)油氣開發(fā)的重要內(nèi)容。冰激平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與海冰的類型、厚度、冰速、冰向、海冰強(qiáng)度、冰載荷的形式與大小等因素緊密相關(guān)。岳前進(jìn)等23對(duì)冰激平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。并對(duì)遼東灣JZ20.2油氣田的MUQF臺(tái)為傷對(duì)1999-2000年冬季的冰激結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果

37、與實(shí)測(cè)情形較為吻合。正壓沖固基礎(chǔ)海洋平臺(tái)是一種新型平臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)形式，陳榮等24采納三維有限元的數(shù)值分析方式，成立正壓沖固平臺(tái)的三維有限元模型，進(jìn)行動(dòng)冰載荷作用于正壓沖固平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)分析。冰載荷激振力輸入與結(jié)構(gòu)地震力輸入有明顯的類似的地方，均為隨機(jī)進(jìn)程。但它們作用的方式不同，地震作用是從結(jié)構(gòu)物基底傳來(lái)的，它不是直接作用在結(jié)構(gòu)上的荷載；而冰載荷那么是施加在結(jié)構(gòu)外表上的荷載。YUEQ等研究了渤海遼東灣JZ20-2油田的MSW2臺(tái)上冰引發(fā)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)念振動(dòng)現(xiàn)象。岳前進(jìn)26對(duì)渤海遼東灣JZ20-2油田的MSW2臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和冰與結(jié)構(gòu)彼此作用的破碎機(jī)理分析，證明冰致穩(wěn)態(tài)振動(dòng)屬于自激振動(dòng)。D模態(tài)分析模態(tài)分析用于

38、確信結(jié)構(gòu)物的模態(tài)參數(shù)（振型、固有頻率和阻尼比）。關(guān)于結(jié)構(gòu)物而言模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)的“指紋”，它是一系列獨(dú)特的數(shù)據(jù)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)都有其固有的模態(tài)參數(shù)，若是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變了，那么結(jié)構(gòu)的“指紋”將會(huì)轉(zhuǎn)變。顯而易見，模態(tài)參數(shù)的研究是超級(jí)重要的。楊和振等27將特點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法（ERA）與CBSI算法相結(jié)合識(shí)別海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼比、振型），所識(shí)別出的海洋平臺(tái)模態(tài)參數(shù)與有限元ANSY分析所得的結(jié)果相較較，說(shuō)明運(yùn)用所提出的方式進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別是有效的。趙東等28應(yīng)用有限元分析軟件，成立了W12.1上緊縮機(jī)局部安裝平臺(tái)的有限元模型，利用此有限元模型進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，結(jié)果說(shuō)明，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的不合理所造成的平臺(tái)局

39、部剛度不足引發(fā)平臺(tái)模態(tài)振動(dòng)畸變，是引發(fā)平臺(tái)振動(dòng)過(guò)大的要緊緣故。1.3論文的要緊工作本文基于大型有限元分析軟件ANSY歆件平臺(tái)，別離采納ANSYS勺模態(tài)分析和瞬態(tài)分析功能，研究了平臺(tái)在風(fēng)載、波浪力作用下的受力特點(diǎn)，對(duì)海洋平臺(tái)模型進(jìn)行分析，要緊研究?jī)?nèi)容如下：第一章要緊介紹了課題的研究背景和意義、國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)及本文的要緊工作。第二章要緊介紹了有限元技術(shù)的進(jìn)展、有限元法的大體理論及ANSYSC件介紹。第三章介紹了載荷分類與載荷概念、波浪載荷及水下水平構(gòu)件的波浪力。第四章要緊介紹了平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力反映分析，單自由度的動(dòng)力反映及多自由度系統(tǒng)動(dòng)力反映。第五章成立了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的模態(tài)、海

40、洋平臺(tái)諧響應(yīng)分析及沖擊載荷作用下海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了分析。第二章結(jié)構(gòu)分析的大體理論與分析軟件介紹隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，人們正在不斷建造更為快捷的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為周密的機(jī)械設(shè)備。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)時(shí)期就能夠精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)出產(chǎn)品或工程的技術(shù)性能，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度和溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)和滲流等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。例如分析高樓大廈和大跨度橋梁在地震時(shí)所受的阻礙，確認(rèn)是不是會(huì)發(fā)生破壞性事故分析計(jì)算核反映堆的溫度場(chǎng)，確信傳熱和冷卻系統(tǒng)是不是合理;分析葉片內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率等?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的解決方式往往不可行，需要尋求新的計(jì)

41、算方式，為此一大量國(guó)內(nèi)外科技工作者致力于這方面的研究。最近幾年來(lái)，在運(yùn)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方式支持下進(jìn)展起來(lái)的有限元分析(FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis)方式那么為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題提供了有效的途徑。有限元技術(shù)的進(jìn)展有限元法的誕生及進(jìn)展大約在300年前，牛頓和萊布尼茨發(fā)明了積分法，證明了該運(yùn)算具有整體對(duì)局部的可加性。盡管，積分運(yùn)算與有限元技術(shù)對(duì)概念域的劃分是不同的，前者進(jìn)行無(wú)窮劃分而后者進(jìn)行有限劃分，但積分運(yùn)算為實(shí)現(xiàn)有限元技術(shù)預(yù)備好了一個(gè)理論基礎(chǔ)。在牛頓以后約一百年，聞名數(shù)學(xué)家高斯提出了加權(quán)余值法及線性代數(shù)方程組的解法。這兩項(xiàng)功效的前者被用來(lái)將微分方程改寫為積分表

42、達(dá)式，后者被用來(lái)求解有限元法所得出的代數(shù)方程組。在18世紀(jì)，另一名數(shù)學(xué)家拉格郎日提出泛函分析。泛函分析是將偏微分方程改寫為積分表達(dá)式的另一途經(jīng)。在19世紀(jì)末及20世紀(jì)初，數(shù)學(xué)家瑞雷和里茲第一提出可對(duì)全概念域運(yùn)用展開函數(shù)來(lái)表達(dá)其上的未知函數(shù)。1915年，數(shù)學(xué)家伽遼金提出了選擇展開函數(shù)中形函數(shù)的伽遼金法，該方式被普遍地用于有限元。1943年，數(shù)學(xué)家?guī)炖实碌谝淮翁岢隽丝稍诟拍钣騼?nèi)分片地利用展開函數(shù)來(lái)表達(dá)其上的未知函數(shù)。這事實(shí)上確實(shí)是有限元的做法。因此，到這時(shí)為止，實(shí)現(xiàn)有限元技術(shù)的第二個(gè)理論基礎(chǔ)也已確立。20世紀(jì)50年代，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們發(fā)覺(jué)無(wú)法用傳統(tǒng)的力學(xué)方式分析飛機(jī)的應(yīng)力、應(yīng)變等問(wèn)題。波音公司的一個(gè)技

43、術(shù)小組，第一將持續(xù)體的機(jī)翼離散為三角形板塊的集合來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析，通過(guò)一番曲折后取得前述的兩個(gè)離散的成功。20世紀(jì)50年代，大型電子運(yùn)算機(jī)投入了解算大型代數(shù)方程組的工作，這為實(shí)現(xiàn)有限元技術(shù)預(yù)備好了物質(zhì)條件。1960年前后，美國(guó)的R.W.Clough教授及我國(guó)的馮康教授別離獨(dú)立地在論文中提出了“有限單元”，如此的名詞。爾后，如此的叫法被大伙兒同意，有限元技術(shù)從此正式誕生，并專門快盛行世界。試函數(shù)工程有限差分法變分方法加權(quán)魘值法Richardson 1910Rayleigh 1870Ritz 1909Gauss 1795Galerkin 1915Liebman 1918Southwelll946Hr

44、enikoff 1941Biezena-kcch 1923McHenry 1943Newmark 1949A連續(xù)試函數(shù)Courant 1943A |直接離散的單元Argyrit 1955Turner et al 19 56Prager-Synge 1947Zienkiewicz 1964可變的有限整分方法 Varga 1962當(dāng)今的有限元方法圖2T有限元方法的發(fā)展過(guò)程隨著運(yùn)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，及各類有限元軟件的運(yùn)用，有限元在工程設(shè)計(jì)和分析中取得了普遍應(yīng)用，理論與算法也日趨完善，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算必不可少的工具。我國(guó)聞名力學(xué)家，教育家徐芝綸院士（河海大學(xué)教授）第一次將

45、有限元法引入我國(guó)。他于1974年編著出版了我國(guó)第一部關(guān)于有限元法的專著彈性力學(xué)問(wèn)題的有限單元法。從此開辟了我國(guó)有限元應(yīng)用及進(jìn)展的歷史。有限元進(jìn)展至今，其應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題,由靜力平穩(wěn)問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)固問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題。分析的對(duì)象已從分析和校核進(jìn)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)并和CADfc術(shù)相結(jié)合。目前流行的CA劭析軟件要緊有NASTRANADINAANSYSABAQUSMARCCOSMOS?？v觀現(xiàn)今國(guó)際上CA浜件的進(jìn)展情形，能夠看出有限元分析方式的一些進(jìn)展趨勢(shì)，其中最為重要的是與CADa件的無(wú)縫集成。COSMOSSolidWorksSimulation）無(wú)疑走在了各CAES件的

46、前頭，與SolidWorks真正意義上的無(wú)縫集成，極大的提高了產(chǎn)品的優(yōu)越性與有效性。同時(shí)它的易學(xué)易用性及對(duì)各類工程問(wèn)題的處置也使它備受企業(yè)工程師的青睞?，F(xiàn)今國(guó)際有限元法的進(jìn)展趨勢(shì)1）從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算進(jìn)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)題有限元分析方式最先是從結(jié)構(gòu)化矩陣分析進(jìn)展而來(lái)，慢慢推行到板、殼和實(shí)體等持續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)踐證明這是一種超級(jí)有效的數(shù)值分析方式。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要用于離散求解對(duì)象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精準(zhǔn)值。因此最近幾年來(lái)有限元方式已進(jìn)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，最近又進(jìn)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。例如當(dāng)氣流流過(guò)一個(gè)很高的鐵塔

47、時(shí)就會(huì)使鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過(guò)來(lái)阻礙到氣流的流動(dòng)等，這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂“流固耦合”的問(wèn)題。2）由求解線性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線性問(wèn)題隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能知足設(shè)計(jì)的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的顯現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線性問(wèn)題；航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線性問(wèn)題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各類新材料的顯現(xiàn)，僅靠線性計(jì)算理論就不足以解決碰到的問(wèn)題，只有采納非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)算技術(shù)

48、，很難為一樣工程技術(shù)人員所把握。為此最近幾年來(lái)國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARCABQUS口ADINA等專擅長(zhǎng)求解非線性問(wèn)題的有限元分析軟件，并普遍應(yīng)用于工程實(shí)踐。這些軟件的一起特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器和豐碩和有效的非線性材料庫(kù)。2.2有限元法的大體理論有限元法的大體思想有限元法(FEA，F(xiàn)initeElementAnalysis)的大體思想是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)適合的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解那個(gè)域總的知足條件(如結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)條件)，從而取得問(wèn)題的解。那個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因

49、為實(shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以取得準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各類復(fù)雜形狀，因此成為行之有效的工程分析手腕。有限元是那些集合在一路能夠表示實(shí)際持續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并取得了應(yīng)用，例如用多邊形(有限個(gè)直線單元)逼近圓來(lái)求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方式而被提出，那么是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方式，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、有效性和有效性而引發(fā)從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚愛好。通太短短數(shù)十年的盡力，隨著運(yùn)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)展和普及，有限元方式迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐碩多

50、彩、應(yīng)用普遍而且有效高效的數(shù)值分析方式。有限元法與傳統(tǒng)的力學(xué)方式有專門大不同，正是這種不同，使得它能夠把許多難以求解的問(wèn)題變的容易處置:由于可任選單元體的形狀和尺寸，故能夠“組拼”出形狀復(fù)雜的機(jī)械零件。在作應(yīng)力分析時(shí)，無(wú)需對(duì)零件的幾何形狀作過(guò)量的簡(jiǎn)化，從而提高了解題精度，增大了可解的范圍；關(guān)于應(yīng)力集中區(qū)能夠減小單元體尺寸來(lái)細(xì)加考察；關(guān)于各類復(fù)雜類型的外載荷都能夠采取適當(dāng)?shù)姆绞綄⑵浞峙芍凉?jié)點(diǎn)處來(lái)計(jì)算；易于解決有初應(yīng)力、熱應(yīng)力的問(wèn)題；易于處置材料的不均勻性，對(duì)各向異性材料也可求解；能夠解決材料的非線性和結(jié)構(gòu)的非線性問(wèn)題；采納大型的通用有限元程序，可一次計(jì)算大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、振動(dòng)和穩(wěn)固性。由

51、于運(yùn)算機(jī)的求解方程組的能力超級(jí)壯大，構(gòu)造模型又超級(jí)準(zhǔn)確，因此有限元法在運(yùn)算機(jī)上利用極為普遍。有限元方式計(jì)算精度高，速度快，可縮短設(shè)計(jì)試制周期和降低本錢。目前，優(yōu)秀的畫圖系統(tǒng)軟件都配有有限元分析程序窗口。當(dāng)圖形繪制完畢，可當(dāng)即進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。通過(guò)不斷修改圖形和反復(fù)計(jì)算，能夠使設(shè)計(jì)質(zhì)量大幅度提高。有限元法可用于各類模擬和分析方式中，在固體力學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械工程、土木工程、電氣工程等領(lǐng)域取得了普遍應(yīng)用。由于其所涉及問(wèn)題和算法大體上都是來(lái)源于工程實(shí)際，應(yīng)用于工程中，其解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力愈來(lái)愈強(qiáng)。在汽車領(lǐng)域，有限元法可用于成立汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)模型，還能夠用于設(shè)計(jì)的剛度與變形分析、設(shè)

52、計(jì)的應(yīng)力與疲勞分析、碰撞模擬和塑性變形分析等。有限元法的特點(diǎn)有限元能夠取得迅速的進(jìn)展與愈來(lái)愈普遍的應(yīng)用，除電子運(yùn)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展提供了充分有利的條件外，還與有限元法所具有的優(yōu)越性是分不開的，綜合來(lái)講，有限元法的特點(diǎn)有:有限元法能夠完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析，它利用離散化將無(wú)窮自由度的持續(xù)體力學(xué)問(wèn)題變成有限單元節(jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算，并將整個(gè)系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程，從而能夠用多種方式對(duì)其求解，盡管它的解是近似的，但適被選擇單元的形狀于大小，可使近似解達(dá)到中意的精度；引入邊界條件的方式簡(jiǎn)單，邊界條件不進(jìn)入單個(gè)有限元單元的方程，而是在取得整體代數(shù)方程后再引入邊界條件，如此內(nèi)部和邊界上的單元都能夠采納相同的場(chǎng)

53、變量模型。而且當(dāng)邊界條件改變時(shí)，內(nèi)部場(chǎng)變量模型不需要改變；有限元法不僅適應(yīng)與復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處置各類復(fù)雜的材料性質(zhì)問(wèn)題，另外還可解決非均值持續(xù)介質(zhì)的問(wèn)題；有限元法考慮了物體的多維持續(xù)性，不僅在離散進(jìn)程中把物體看成是持續(xù)的，而且不需要用別離的插值進(jìn)程把近似解推行到持續(xù)體中的每一點(diǎn)；有限元法通常采納矩陣表達(dá)形式，超級(jí)便于編制運(yùn)算機(jī)程序，從而適應(yīng)于電子運(yùn)算機(jī)的運(yùn)算工作；該方式能夠在不同層面上取得闡釋或明白得。對(duì)有較深數(shù)學(xué)知識(shí)的人來(lái)講，完全能夠用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述，并取得嚴(yán)格推理。而對(duì)一樣人來(lái)講，能夠只從物理層面上取得明白得。有限元法的計(jì)算思路關(guān)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，有限元求解法

54、的大體思路是相同的，有限元求解問(wèn)題的大體思路如下：物體離散化-單元特性分析-單元組裝-求解節(jié)點(diǎn)自由度。物體離散化將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各類單元組成的計(jì)算模型，這一步稱為單元剖分。離散后單元與單元之間利用節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，單元節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)、數(shù)量阻礙著描述結(jié)構(gòu)接近程度。因此有限元分析中的結(jié)構(gòu)是用同樣材料的眾多單元以必然方式連接而成的離散物體，是對(duì)原先的物體或結(jié)構(gòu)的近似。如此，用有限元分析計(jì)算所取得的結(jié)果只是近似結(jié)果。只有合理地選擇單元和劃分足夠的單元數(shù)量，才能取得的結(jié)果與實(shí)際情形相符合。有限元法把彈性持續(xù)體分割成數(shù)量有限的單元，相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連，節(jié)點(diǎn)一樣都在單元邊界上，節(jié)點(diǎn)的位移分量作為大體未

55、知量，組成了有限單元集合體并引進(jìn)了等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)約束條件，就成為有限元自由度的有限元計(jì)算模型，替代了原先無(wú)窮多自由度的持續(xù)體。有限元法的實(shí)質(zhì)是把無(wú)窮多個(gè)自由度的彈性持續(xù)體，理想化為有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化，適合數(shù)值求解。結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基礎(chǔ)。劃分單元的一樣原那么是:關(guān)鍵部位要盡可能利用小單元和高精度單元，應(yīng)力和位移轉(zhuǎn)變平緩的部位能夠采納大單元和低精度單元:在邊界曲折、應(yīng)力集中、應(yīng)變梯度大的地址，如集中載荷處、散布載荷突變的地址，單元應(yīng)劃分得細(xì)一些:任何單元的節(jié)點(diǎn)也應(yīng)當(dāng)是相鄰單元的節(jié)點(diǎn):材料轉(zhuǎn)變的地址應(yīng)當(dāng)劃分新的單元。單元特性分析在有限元方式中，選擇

56、節(jié)點(diǎn)自由和相應(yīng)的插值函數(shù)來(lái)表示單元的物理量。在結(jié)構(gòu)分析中一樣用位移法進(jìn)行分析，位移法確實(shí)是利用節(jié)點(diǎn)位移和位移函數(shù)來(lái)表示單元中的位移散布，這是能夠?qū)卧形灰频纳⒉疾杉{一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法中咱們將為一函數(shù)表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)。這種函n數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如yaii其中ai是待定系數(shù);i是與坐標(biāo)有關(guān)的i1某種函數(shù)。依照單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置及其含有等，找到單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，同時(shí)計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力。選定單元的類型和位移模式后，就能夠夠按虛功原理或最小勢(shì)能原理成立單元?jiǎng)偠确匠?，它事?shí)上是單元各個(gè)節(jié)點(diǎn)的平穩(wěn)方程，其系數(shù)

57、矩陣稱為單元?jiǎng)偠染仃?。eeekF(2-1)式中：e單元編號(hào)；ke單元?jiǎng)偠染仃?；e單元的節(jié)點(diǎn)位移；Fe單元的節(jié)點(diǎn)力向量。依照單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步?，F(xiàn)在需要用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)成立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?。物體離散化后，假定力通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。可是，關(guān)于實(shí)際的持續(xù)體。力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元中去的。因此，這種作用在單元邊界的表面力、體積力或集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上，也確實(shí)是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)替代所有作用在單元上的力。(1)單元組裝利用結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)條件和邊界條

58、件把各個(gè)單元按原先的結(jié)構(gòu)從頭聯(lián)接起來(lái)，形成整體有限元方程，從而形成整體剛度矩陣。整體剛度矩陣反映的是結(jié)構(gòu)整體力向量同整體位移向量之間的關(guān)系，因此組成整體剛度矩陣時(shí)，能夠依照整體位移向量的順序?qū)卧獎(jiǎng)偠染仃囘M(jìn)行運(yùn)算。即 TOC o 1-5 h z KF(2-2)式中：K整體結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣;整體結(jié)點(diǎn)位移矩陣;F整體結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點(diǎn)載荷列矩陣。求節(jié)點(diǎn)的自由度求解整體的有限元方程，取得節(jié)點(diǎn)自由度值。分析計(jì)算結(jié)果2.3ANSYS軟件介紹ANSY馱件作為世界聞名的美國(guó)ANSYS司最具盛名的CAE次件產(chǎn)品，自從引進(jìn)國(guó)內(nèi)以后，由于其具有結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和耦合場(chǎng)分析功能，而且功能體系完整壯大，取得超級(jí)成功

59、地應(yīng)用和推行，應(yīng)用于航空航天、軍工、能源動(dòng)力、船舶、車輛、通用機(jī)械等各個(gè)行業(yè)，用戶群超級(jí)龐大。ANSYS軟件的進(jìn)展1970年，JohnSwanson博士洞察到運(yùn)算機(jī)模擬工廠應(yīng)該商品化，于是創(chuàng)建了ANSY%司，總部位于美國(guó)賓咯法尼亞州的匹茲堡。20世紀(jì)70年代初，ANSYS?序中融入了新的技術(shù)和用戶要求，從而使程序發(fā)生了專門大的轉(zhuǎn)變，非線性、字結(jié)構(gòu)和更多的單元類型被加入了程序。70年代末，交互方式的加入是該程序最為顯著的轉(zhuǎn)變，它大大簡(jiǎn)化了前處置和后處置。在進(jìn)行分析之前，可用交互式圖形來(lái)驗(yàn)證模型的幾何形狀、材料和邊界條件；在分析完成以后，計(jì)算結(jié)果的圖像顯示可用于分析查驗(yàn)。30連年來(lái)，ANSYS司致

60、力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方式和計(jì)算技術(shù)，引領(lǐng)著世界有限元技術(shù)的進(jìn)展，并被全世界工業(yè)普遍同意，擁有普及全世界的50000多個(gè)用戶。ANSYS1供的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方式，利用戶減少了昂貴費(fèi)事的物理樣機(jī)進(jìn)程，在一個(gè)了持續(xù)的、彼此協(xié)作的工廠設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，而且工作人員之間像一個(gè)團(tuán)隊(duì)一樣彼此協(xié)作。ANSY價(jià)析模擬工具易于利用、支持多種工作平臺(tái)，并在異種異構(gòu)平臺(tái)上數(shù)據(jù)百分百兼容，提供了多場(chǎng)耦合的分析功能。在眾多的有限元軟件中，ANSYSB件是將結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及聲學(xué)等分析功能集于一體的大型通用有限元軟件，可普遍用于航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車、核工業(yè)、鐵路、石油化