基于ANSYS固定式平臺的瞬態(tài)響應分析

1、江蘇科技大學2010屆畢業(yè)設計（論文）基于ANSYS固定式平臺的瞬態(tài)響應分析系部：專業(yè)名稱：船舶與海洋工程班級：學號：作者：指導教師：二零一零年六月江蘇科技大學本科畢業(yè)論文基于ANSY限定式平臺的瞬態(tài)響應分析ThetransientvibrationanalysisoffixedplatformbasedonANSYS江蘇科技大學畢業(yè)論文（設計）任務書系部：一專業(yè)：船舶與海洋工程學號：姓名：指導教師：職稱：2020年3月10日畢業(yè)設計（論文）題目：基于ANSYS勺固定式平臺瞬態(tài)分析.課程性質(zhì)（請在相應的選項上打勾）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驗室建設課題口模擬性課題口學生

2、自選人文課題.課題類型（請在相應的選項上打勾）口工程設計（實踐）口理論研究口實驗研究口計算機軟件設計口綜合一、畢業(yè)設計（論文）內(nèi)容及要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、達到的指標和應做的實驗等）1提供條件：海洋平臺基本結構、參數(shù)，海域波浪參數(shù)，計算機及計算軟件等2設計內(nèi)容與要求：（1）掌握有限元的基本方法及結構振動的相關理論（2）學習有限元軟件ANSYS并掌握其靜力、動力分析方法（3）利用ANSY歆件建立固定式海洋平臺模型，并對所建模型的進行動力計算（4）對固定式平臺結構的模態(tài)進行分析，對結構在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應及其諧響應進行分析、完成后應交的作業(yè)（包括各種說明書、圖紙等）.畢業(yè)設計論文一份（

3、不少于萬字）；.外文譯文一篇（不少于5000英文單詞）；.動力分析有限元模型及結果文件。三、完成日期及進度自2010年4月12日起至2010年6月11日止進度安排：4.12-4.25收集相關資料學習有限元理論，掌握有限元的基本方法，學習結構振動的相關理論4.26-5.9學習有限元軟件ANSYS并掌握其靜力、動力分析方法5.10-5.16利用ANSY歆件建立固定式海洋平臺模型5.17-5.30對所建模型的進行動力計算5.31-6.11對固定式平臺結構的模態(tài)進行分析，對結構在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應及其諧響應進行分析，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.海洋工程結構M.

4、哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999.曾攀.有限元基礎教程M.北京：高等教育出版社，2009.唐友剛.海洋工程結構動力學M.天津：天津大學出版社2008.尚曉江，邱峰，趙海峰等.ANSYS吉構有限元高級分析方法與范例應用M.北京：中國水利水電出版社，2008.張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析M.北京：機械工業(yè)出版社，2008系（教研室）主任：一（簽章）年月日學院主管（系）領導：（簽章）年月日摘要隨著社會經(jīng)濟的進展，人們對能源的需求不斷擴大，海洋石油資源慢慢成為新的能源增加點。海洋石油平臺作為實現(xiàn)海上能源開發(fā)的最有效工具之一，尋求其結構的平安適用性和最正確經(jīng)濟效益，一直是設計

5、、利用、檢測和保護中專門關注的問題。作為海洋油氣資源開發(fā)的基礎性設施，海洋平臺的平安特性愈來愈受到人們的重視。本文以某導管架勢固定平臺為研究對象，基于大型有限元分析軟件ANSYS件平臺，別離采納ANSYS靜力分析、模態(tài)分析和瞬態(tài)分析功能，研究了平臺在風載、波浪力作用下的受力特點，取得了平臺的模態(tài)振動規(guī)律，取得了平臺在不同碰撞下的力學特性和位移響應情形。分析結果顯示，該平臺具有較好的抗風、抗波浪力能力，但應幸免平臺的低頻振動和較大強度的沖擊載荷，而且平臺樁腿和支撐桿始終是其較為薄弱的構件。關鍵詞：海洋平臺；受力分析；ANSY軟件；振動；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 國內(nèi)外研究動態(tài)3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 導管架平臺的組成及進展概況3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 海洋平臺振動分析3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 論文的要緊工作8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第二章結構分析的大

11、體理論與分析軟件介紹8 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 有限元技術的進展9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 有限元法的誕生及進展9 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 現(xiàn)今國際有限元法的進展趨勢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13 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 有限元法的計算思路14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document ANSYS軟件介紹16 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document ANSYS軟件的進展16 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document ANSYS的特點17ANSYS的分析流程18 HYPERLINK l bookmark64 o Current Doc

13、ument 第三章海洋平臺載荷分析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算25 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 3.3.2水下水平構件的波浪力3

14、0 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 第四章平臺結構動力反映分析34 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 單自由度的動力反映35 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 成立運動方程35 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 自由振動反映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)動力反映43質(zhì)點系運動方程的成

15、立43振型與頻率計算46結構的物理特性46振動頻率分析47陣型分析48第五章海洋石油平臺結構的動力分析49平臺結構的模型成立49結構建模的整體計劃49幾何模型的成立51劃分網(wǎng)格53海洋平臺結構的模態(tài)分析53計算模態(tài)解53觀看結構模型的各階模態(tài)振型55海洋平臺諧響應分析60諧響應分析應用60ANSYS的三種求解方式60對模型進行諧響應分析60沖擊載荷作用下海洋平臺的結構響應63瞬態(tài)動力學分析63沖擊載荷作用下海洋平臺的結構響應63結論66致謝67參考文獻68第一章緒論課題的研究背景和意義研究背景隨著社會的進展和科學技術的進步，人類社會對能源的需求愈來愈大。當陸上油氣資源經(jīng)太長時期大規(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、風險大而且高新技術密集的能源工業(yè)新領域。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個國家（或地域）從事近海石油開發(fā)，22個國家（或地域）從事近海天然氣開發(fā)。迄今為止，世界上約有430個海上油田，年產(chǎn)油量約占世界原油總產(chǎn)量的25。我國海域遼闊，其中大陸架面積約有110萬平方千米，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值的面積在60萬平方千米以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。預測的石油儲量達250億噸，這是我國海上石油天然氣開發(fā)的豐碩資源基礎。而我國海洋石油勘探開

17、發(fā)的歷程起始于1957年，從1957至1979年是我國海上石油開采的探討時期，22年共開采原油96萬噸；從1979年海上石油開發(fā)實行對外開放以來，我國的海上石油開發(fā)進入高速進展期，到2000年生產(chǎn)能力已達到2000萬噸；估量到2005年，我國的海上原油生產(chǎn)能力會達到4000萬噸。目前海洋石油己成為我國重要的原油生產(chǎn)基地。海洋平臺，作為鉆井采油和生活供給等多種用途的大型復雜結構，其技術進展和供求轉變直接取決于海洋石油開發(fā)的進展。到目前為止，世界各國所擁有的各類平臺近一萬座，其中除極少數(shù)鋼筋混凝土平臺之外。大多數(shù)都是鋼結構固定式平臺。海洋平臺結構復雜，專門是與陸地結構相較，它所處的海洋環(huán)境十分惡劣

18、，海風、海浪、海冰和潮汐不時作用于結構。同時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結構構件和整體抗力衰減，阻礙結構的平安性和耐久性。歷史上曾有過量次海洋平臺事故，造成了重大的經(jīng)濟損失和不良的社會阻礙。例如，1965年英國北海的海上鉆石號鉆井平臺支柱拉桿脆性斷裂，平臺沉沒致使123人死亡；1969年，我國渤海2號平臺被海冰推倒，造成直接經(jīng)濟損失2000多萬元。這些慘重的教訓給海洋資源開發(fā)以專門大的警示，同時也促使國內(nèi)外海洋石油部門加倍盡力并投入巨資研究海洋平臺的關鍵科學閻題，使海洋平臺結構的設計保護和平安提高到一個新的水平，從而為海洋油氣資源的平安開采提

19、供靠得住的保證。海上固定式平臺通過幾十年的進展，已經(jīng)達到了很高的水平。固定式平臺安裝水深不斷增加，新型結構平臺大量涌現(xiàn)，單一平臺具有多種功能?？墒枪潭ㄊ狡脚_研究還有很多課題有待解決，第一是平臺結構型式的選擇，包括各類固定平臺的經(jīng)濟水深；適于不同海洋環(huán)境條件的平臺型式。第二是平臺動力反映分析，包括結構流體與基礎彼此作用；柔性支撐平臺的支撐結構非線性動力反映分析：結構在地震作用下危險性分析及平安度。第三是管結點疲勞破壞研究，包括海上固定式平臺在隨機荷載作用下，結點的疲勞破壞機理研究；成立S-N曲線；熱點的應力集中系數(shù)研究；疲勞分析方式的研究。最后是靠得住性工程在平臺設計上的應用，包括平臺結構中存在

20、的各類可能失效形式；荷載概率模型成立和荷載效應統(tǒng)計分析方式；失誤和事故引發(fā)的平臺失效概率統(tǒng)計分析；結構系統(tǒng)的靠得住性分析方式等。課題的意義海洋平臺是海洋油氣資源開發(fā)的基礎性設施，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。但由于海洋平臺在惡劣的環(huán)境下工作，受到地震、波浪、風力、冰載及平臺上的機械和設備各類載荷的作用，會引發(fā)強烈的振動。有害的振動會阻礙人體的健康，使儀器小能正常的利用，嚴峻的還會致使平臺的損壞。如海洋平臺的冰激振動曾造成過重大損失。例如W12-I海洋平臺是一座鋼質(zhì)導管梨式采油平行，座落于南中國海海域，是中海石油（中國）湛江分公司經(jīng)營的現(xiàn)代

21、化海上油田。該平臺投資2億美元，由國外知名公司發(fā)計制造，1999年投產(chǎn)，年產(chǎn)值超過20億元人民幣。平臺在生產(chǎn)進程中顯現(xiàn)了振動過人的現(xiàn)象，致使整個平臺嚴峻哆嗦，直接阻礙甲臺上的正常上產(chǎn)和生活。因此，長期以來人們采納多種手腕來分析研究各類載荷對海洋平臺的阻礙情形，試圖從全然上解決其平安問題。但海洋平臺結構復雜、體積龐大，傳統(tǒng)的分析方式由于計算進程繁雜、計算量大等緣故難以對平臺整體的平安狀況及各局部結構的受力狀態(tài)給予準確計算。本文借助于大型CAEt彳ANSYS勺壯大功能，以國內(nèi)某一周定式海洋平臺為研究對象，通過成立適當?shù)钠脚_有限元模型，分析平臺在海洋波浪力下的受力狀況，同時針對各類振動載荷對海洋平臺

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

23、為甲板結構。在海洋開發(fā)中，普遍采納導管架平臺是由于導管架平臺具有如下特點：(1)平臺的支承結構是以圓鋼管為要緊構件的鋼結構，因此結構受力狀態(tài)較好。(2)由于樁是通過導管架腿柱打入海床，因此在惡劣的海洋環(huán)境中，樁打的準、打的直。(3)打樁作業(yè)大大簡化，保證平臺結構的整體穩(wěn)固性。(4)平臺能夠在陸上分塊預制，海上組裝，保證施工質(zhì)量，節(jié)約投資。(5)導管架平臺設計、制造及安裝技術成熟，實踐體會多，適用性強。1947年在美國成功安裝了世界上第一座設備齊全的鋼質(zhì)導管架平臺，開辟了海洋開發(fā)的新時期。我國第一座導管架平臺是1966年12月底成功安裝在渤海灣水深6米處的油田上。它做為我國自行設計和建造的首座海

24、上鉆井裝置載入我國海洋油氣開發(fā)史冊。我國目前已建成利用的海洋平臺有30余座，平臺結構型式主若是鋼質(zhì)導管架平臺。目前，我國在海洋平臺的設計施工和理論研究等方面都取得了專門大成績，可是和世界先進國家相較還有專門大差距，這就要求工程技術人員及科研工作者不斷盡力，為我國的油氣事業(yè)做出更大的奉獻。1.2.2海洋平臺振動分析隨著海洋石油工業(yè)的進展，通常要在比較惡劣的海域建造各類平臺，以適應海上鉆井采油作業(yè)的需要。而這些平臺設計，波浪力往往是設計操縱荷載。在以往的設計中，一樣都把隨機的海浪作為規(guī)那么波來處置，以此求出作用在平臺結構上的最大外力，然后依照靜力的方式來計算結構構件的應力，來評判結構的平安度。實踐

25、證明，波高最大的波并非一定引發(fā)平臺內(nèi)最大應力的波，而那些頻率與平臺結構自振頻率接近、波高較小的波在接近共振點時，那么結構變形增大，現(xiàn)在結構可能處于危險狀態(tài)。這說明，對平臺結構設計而言，僅僅考慮靜力效應是不充分的，而須考慮動力作用對結構的阻礙，進行動力響應分析。海洋平臺在海洋波浪、海流、風和地震等作用下，將產(chǎn)生慣性力和拖曳力復雜的彼此作用，引發(fā)海洋平臺的動力響應。隨著海水深度的增加，平臺的相對柔性也慢慢增加，與其振動相關的自然頻率也愈來愈低。當這些低頻成份趨近于海洋波浪的頻帶寬時，將發(fā)生龐大的能量集中，從而引發(fā)海洋平臺響應的嚴峻后果。因此，研究平臺的振動或動力響應變得超級重要。除作用于平臺的環(huán)境

26、載荷外，上述載荷顯然不是確信的、而是隨機的。因此，需要能反映深水海洋平臺結構的動力和隨機特性的分析和設計方式。王均剛2對海洋平臺在隨機波浪載荷和地震載荷作用下的振動進行研究，并研究了ETMD勺振動操縱成效，說明了ETMIM振系統(tǒng)能有效的操縱海洋平臺的振動。ANaessaf3等用蒙特卡羅法估量受嚴酷的氣候條件下，深海平臺呈現(xiàn)出的動態(tài)行為的極端反映，并將該方式應用在挪威的Kvitebjorn平臺結構。暴風雨，颶風和地震，可能造成海底不穩(wěn)固。尤其是在海底比較薄弱的地域，這些因素將對海洋平臺造成更大的破壞，YasserE4等研究了海底不穩(wěn)固對平臺的阻礙。海洋平臺結構在波浪等環(huán)境荷載作用下的動力響應存在

27、較為復雜的計算問題，對海洋平臺結構的隨機響應分析采納考慮結構與波浪相對運動的復模態(tài)理論進行分析，將使海洋平臺結構的響應分析更為精準和合理。周煥廷等5研究了海洋平臺在隨機波浪動力作用下的動力響應問題，運用復模態(tài)理論對運動方程中的非經(jīng)典阻尼進行了解耦，取得了結構的數(shù)值解，與傳統(tǒng)近似對角化方式結果相較具有精度高、計算速度快的特點。對平臺的動力分析計算，即是要求解平臺結構動力響應的運動方程，可是在平臺設計的初始時期，往往無法明白詳細的結構剛度和質(zhì)量散布的細節(jié)，也就無法進行平臺的詳細結構動力計算，張假設瑜等6針對導管架平臺的初始設計時期，提出了振動響應的簡化計算方式?？紤]主導管結構和支撐結構，將平臺處置

28、為底部固定的自由散布柔性體系，假定平臺的質(zhì)量和剛度沿高度線性散布?？紤]導管架的一階模態(tài)振動，采納模態(tài)分析方式，成立了導管架的廣義振動方程，確信其等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼。隨著有限元技術的進展，能夠幫忙人們高速、高效、高精度的對平臺進行的振動研究。YasserE等7用p-y、t-z、q-z動態(tài)特性曲線模擬樁土的彼此作用，對海上固定平臺進行動力響應分析。王世圣等網(wǎng)成立了JZ20-2MUQF臺的有限元模型，采納動力有限元方式對其進行有限元計算，研究平臺的結構因素對平臺動力特性的阻礙。各類海洋平臺結構，專門是大型建筑物如張力腿平臺，通常由混凝土樁作為基礎單元。在設計一個平臺樁的進程中，應力散布通常

29、作為一個大的主導因素。在軸向和橫向波浪載荷下，為了更準確和更有效地設計平臺樁，JAEicherfll9等在混凝土樁的相似載荷下，應用有限元模型確信應力和位移。研究參數(shù)說明，應力散布受不斷轉變的負荷阻礙。平臺的局部振動，會造成平臺的破壞和平臺上的設備不能正常工作。由于海洋平臺在工作期間要緊經(jīng)受波浪、流、風、冰及地震等各類不同的荷載及它們引發(fā)的聯(lián)合隨機荷載作用。因此，人們對平臺的振動分析，便集中在這些載荷上。波浪載荷作用下的振動分析波浪載荷是平臺強度分析、結構設計與平安評估中一個超級重要的載荷之一，隨著平臺設計向深海區(qū)域進展，波浪對海洋平臺的動力作用越發(fā)顯著10，正確計算波浪載荷對結構平安性具有重

30、要意義。海洋平臺工作水深不同，結構受到的波浪載荷也不同，應選用不同的波浪理論進行計算。波浪理論的種類繁多，但在工程實際應用中，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。在工程計算中應依照具體情形選擇適合的波浪理論。鄭雪坤等11研究導管架海洋平臺的要緊種類和結構，選取不同的波浪理論來計算結構的波浪力，提出了導管架平臺結構分析模型化的概念。海洋平臺長期作業(yè)于復雜海況當中，海洋環(huán)境條件設計標準的選取成為決定平臺平安、結構型式和工程造價的關鍵因素之一。面對諸多自然因素的作用，我國現(xiàn)有海洋工程設計標準采納的標準沒能考慮多種環(huán)境因素聯(lián)合顯現(xiàn)的概率，往往過高估

31、量環(huán)境設計條件，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80年代以來，海洋工程界慢慢認可了基金聯(lián)合概率的設計標準。例如，被國際標準化組織認可的標準APIRP2A-LRFD（1995，）在概念極端條件風速、波高和海流荷載時，給出以下三種概念12：一、重現(xiàn)期為一百年的波高及“相應的”風速和海流；二、風速、波高和流速的任何“合理”組合，其結果取得百年一遇的組合平臺響應，如基底剪力或傾覆力矩；三、將百年一遇的風速、百年一遇的流速和百年一遇的波高進行組合。其中，概念3是推算環(huán)境要素設計標準的傳統(tǒng)方式，即單因素設計法，它往往過于保守；概念l中的“相應”一詞的意義較模糊；概念2中“任何合理

32、組合”使得不同的設計者有不同明白得，可能取得完全不同的結果。但是API對前2種概念并未給出具體做法。事實上，概念1和2都是基于聯(lián)合概率的方式，而多維非正態(tài)、相關變量的聯(lián)合概率模型的構造和求解，一直是人們不斷研究的熱點問題之一13。目前，這方面的功效可歸納為以下三類：一、隨機模擬法?；谥攸c抽樣法，Liu14對風、浪、流作用下的海洋平臺設計荷載標準進行了計算。二、結構響應法。由于重點抽樣法存在非單一解的困難，有人轉而統(tǒng)計某種結構響應，如風、浪、流聯(lián)合作用的傾覆力矩，從而確信連年一遇的環(huán)境條件設計標準。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)臺風海浪的計算。董勝等17提出了聯(lián)合概率法設計標準，比較了多種標準所得設計參數(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研究了海洋平臺在二階非線性隨機波下的結構響應，說明用頻域分析法要優(yōu)于時域分析法，而且發(fā)覺非線性的波動在深海處將引發(fā)更大的波浪力和結構的響應。M.Luo19等研究了海洋平臺在波浪作用下的響應，并分析得出非線性隨機最優(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分析我國地處世界上兩個最活躍的地震帶，是多地震發(fā)生的國家之一。在我國多地震發(fā)生的海域修建平臺必需進行抗震設計，地震對平臺的破壞與地震烈

34、度和本地土壤等因素有關。地震屬于偶然作用，偶然作用效應要緊指地震效應加上其他作用效應，到目前為止，國內(nèi)外標準均以為其他作用效應較地震效應小很多，偶然作用效應的組合按一樣抗震標準規(guī)定執(zhí)行。地震作用不同于一樣動力載荷，是一種隨機過程，不管在時刻、空間和強度上都具有很強的模糊性和隨機性。結構內(nèi)所受到的地震作用是由地面運動引發(fā)的，這些作用的大小取決于結構的質(zhì)量和剛度，和結構的基礎。關于平臺地震響應的要求，有強度要求和延性要求兩個方面。強度要求確實是要保證平臺結構在利用期內(nèi)，在不超過預期的地震載荷作用下，平臺或其基礎不發(fā)生嚴峻破壞。地震標準的選擇受海洋環(huán)境條件的阻礙，本地震與海洋環(huán)境條件都十分惡劣時，彼

35、此作用的阻礙就超級顯著。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，海底土壤條件復雜，又處于地震活躍帶，因此在設計上通常選取8級烈度地震作為地震操縱載荷。延性要求是確保平臺具有充分吸收能量的能力，幸免在平臺所處的海域發(fā)生概率極小的偶然強烈地震時，平臺發(fā)生倒塌破壞。梁永超等20探討了對淺海固定平臺導管架結構的地震響應的要求及其分析方式?，F(xiàn)實中地震發(fā)生時平臺會同時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在地震與波浪聯(lián)合作用下的動力特性。何曉宇等21針對地震與波浪聯(lián)合作用下空間導管架勢海洋夕平臺結構的動力響應特性進行研究。LiHN22等計算三種地震設防烈度（7度、

36、8度和9度）下平臺結構的地震響應。C、冰載荷作用下的振動分析在渤海油氣開發(fā)中，海冰是阻礙冰區(qū)結構設計、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，海洋結構的猛烈振動直接要挾到生產(chǎn)設備的平安運行，同時也阻礙到現(xiàn)場工作人員的正常生活。因此，對冰激結構響應進行預測，進而對危險冰情進行預警，以便采取及時有效的抗冰、防冰方法是保障冰區(qū)油氣開發(fā)的重要內(nèi)容。冰激平臺結構振動與海冰的類型、厚度、冰速、冰向、海冰強度、冰載荷的形式與大小等因素緊密相關。岳前進等23對冰激平臺結構響應進行計算分析。并對遼東灣JZ20.2油氣田的MUQF臺為傷對1999-2000年冬季的冰激結構振動響應進行預測，其結果

37、與實測情形較為吻合。正壓沖固基礎海洋平臺是一種新型平臺樁基結構形式，陳榮等24采納三維有限元的數(shù)值分析方式，成立正壓沖固平臺的三維有限元模型，進行動冰載荷作用于正壓沖固平臺的動力響應分析。冰載荷激振力輸入與結構地震力輸入有明顯的類似的地方，均為隨機進程。但它們作用的方式不同，地震作用是從結構物基底傳來的，它不是直接作用在結構上的荷載；而冰載荷那么是施加在結構外表上的荷載。YUEQ等研究了渤海遼東灣JZ20-2油田的MSW2臺上冰引發(fā)結構的穩(wěn)念振動現(xiàn)象。岳前進26對渤海遼東灣JZ20-2油田的MSW2臺實測數(shù)據(jù)和冰與結構彼此作用的破碎機理分析，證明冰致穩(wěn)態(tài)振動屬于自激振動。D模態(tài)分析模態(tài)分析用于

38、確信結構物的模態(tài)參數(shù)（振型、固有頻率和阻尼比）。關于結構物而言模態(tài)參數(shù)是結構的“指紋”，它是一系列獨特的數(shù)據(jù)，每一個結構都有其固有的模態(tài)參數(shù)，若是結構轉變了，那么結構的“指紋”將會轉變。顯而易見，模態(tài)參數(shù)的研究是超級重要的。楊和振等27將特點系統(tǒng)實現(xiàn)法（ERA）與CBSI算法相結合識別海洋平臺結構的模態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼比、振型），所識別出的海洋平臺模態(tài)參數(shù)與有限元ANSY分析所得的結果相較較，說明運用所提出的方式進行模態(tài)參數(shù)識別是有效的。趙東等28應用有限元分析軟件，成立了W12.1上緊縮機局部安裝平臺的有限元模型，利用此有限元模型進行振動模態(tài)分析，結果說明，平臺結構的不合理所造成的平臺局

39、部剛度不足引發(fā)平臺模態(tài)振動畸變，是引發(fā)平臺振動過大的要緊緣故。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，別離采納ANSYS勺模態(tài)分析和瞬態(tài)分析功能，研究了平臺在風載、波浪力作用下的受力特點，對海洋平臺模型進行分析，要緊研究內(nèi)容如下：第一章要緊介紹了課題的研究背景和意義、國內(nèi)外研究動態(tài)及本文的要緊工作。第二章要緊介紹了有限元技術的進展、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件的波浪力。第四章要緊介紹了平臺結構動力反映分析，單自由度的動力反映及多自由度系統(tǒng)動力反映。第五章成立了平臺結構的有限元模型，對海洋平臺結構的模態(tài)、海

40、洋平臺諧響應分析及沖擊載荷作用下海洋平臺的結構響應進行了分析。第二章結構分析的大體理論與分析軟件介紹隨著現(xiàn)代科學技術的進展，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)電機組和更為周密的機械設備。這一切都要求工程師在設計時期就能夠精準地預測出產(chǎn)品或工程的技術性能，需要對結構的靜、動力強度和溫度場、流場、電磁場和滲流等技術參數(shù)進行分析計算。例如分析高樓大廈和大跨度橋梁在地震時所受的阻礙，確認是不是會發(fā)生破壞性事故分析計算核反映堆的溫度場，確信傳熱和冷卻系統(tǒng)是不是合理;分析葉片內(nèi)的流體動力學參數(shù)，以提高其運轉效率等?，F(xiàn)在傳統(tǒng)的解決方式往往不可行，需要尋求新的計

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

42、達式，后者被用來求解有限元法所得出的代數(shù)方程組。在18世紀，另一名數(shù)學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式的另一途經(jīng)。在19世紀末及20世紀初，數(shù)學家瑞雷和里茲第一提出可對全概念域運用展開函數(shù)來表達其上的未知函數(shù)。1915年，數(shù)學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)來表達其上的未知函數(shù)。這事實上確實是有限元的做法。因此，到這時為止，實現(xiàn)有限元技術的第二個理論基礎也已確立。20世紀50年代，飛機設計師們發(fā)覺無法用傳統(tǒng)的力學方式分析飛機的應力、應變等問題。波音公司的一個技

43、術小組，第一將持續(xù)體的機翼離散為三角形板塊的集合來進行應力分析，通過一番曲折后取得前述的兩個離散的成功。20世紀50年代，大型電子運算機投入了解算大型代數(shù)方程組的工作，這為實現(xiàn)有限元技術預備好了物質(zhì)條件。1960年前后，美國的R.W.Clough教授及我國的馮康教授別離獨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當今的有限元方法圖2T有限元方法的發(fā)展過程隨著運算機技術的普及和計算速度的不斷提高，及各類有限元軟件的運用，有限元在工程設計和分析中取得了普遍應用，理論與算法也日趨完善，已經(jīng)成為解決復雜的工程分析計算必不可少的工具。我國聞名力學家，教育家徐芝綸院士（河海大學教授）第一次將

45、有限元法引入我國。他于1974年編著出版了我國第一部關于有限元法的專著彈性力學問題的有限單元法。從此開辟了我國有限元應用及進展的歷史。有限元進展至今，其應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題,由靜力平穩(wěn)問題擴展到穩(wěn)固問題、動力問題和波動問題。分析的對象已從分析和校核進展到優(yōu)化設計并和CADfc術相結合。目前流行的CA劭析軟件要緊有NASTRANADINAANSYSABAQUSMARCCOSMOS。縱觀現(xiàn)今國際上CA浜件的進展情形，能夠看出有限元分析方式的一些進展趨勢，其中最為重要的是與CADa件的無縫集成。COSMOSSolidWorksSimulation）無疑走在了各CAES件的

46、前頭，與SolidWorks真正意義上的無縫集成，極大的提高了產(chǎn)品的優(yōu)越性與有效性。同時它的易學易用性及對各類工程問題的處置也使它備受企業(yè)工程師的青睞?，F(xiàn)今國際有限元法的進展趨勢1）從單純的結構力學計算進展到求解許多物理場問題有限元分析方式最先是從結構化矩陣分析進展而來，慢慢推行到板、殼和實體等持續(xù)體固體力學分析，實踐證明這是一種超級有效的數(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象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精準值。因此最近幾年來有限元方式已進展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又進展到求解幾個交叉學科的問題。例如當氣流流過一個很高的鐵塔

47、時就會使鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過來阻礙到氣流的流動等，這就需要用固體力學和流體動力學的有限元分析結果交叉迭代求解，即所謂“流固耦合”的問題。2）由求解線性工程問題進展到分析非線性問題隨著科學技術的進展，線性理論已經(jīng)遠遠不能知足設計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的顯現(xiàn)，就要求考慮結構的大位移和大應變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱應力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復合材料等各類新材料的顯現(xiàn)，僅靠線性計算理論就不足以解決碰到的問題，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)值計算是很復雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學問題和運算技術

48、，很難為一樣工程技術人員所把握。為此最近幾年來國外一些公司花費了大量的人力和投資開發(fā)諸如MARCABQUS口ADINA等專擅長求解非線性問題的有限元分析軟件，并普遍應用于工程實踐。這些軟件的一起特點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。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單的問題代替復雜問題后再求解。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，對每一單元假定一個適合的(較簡單的)近似解，然后推導求解那個域總的知足條件(如結構的平穩(wěn)條件)，從而取得問題的解。那個解不是準確解，而是近似解，因

49、為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以取得準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各類復雜形狀，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際持續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并取得了應用，例如用多邊形(有限個直線單元)逼近圓來求得圓的周長，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，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、有效性和有效性而引發(fā)從事力學研究的科學家的濃厚愛好。通太短短數(shù)十年的盡力，隨著運算機技術的快速進展和普及，有限元方式迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐碩多

50、彩、應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”出形狀復雜的機械零件。在作應力分析時，無需對零件的幾何形狀作過量的簡化，從而提高了解題精度，增大了可解的范圍；關于應力集中區(qū)能夠減小單元體尺寸來細加考察；關于各類復雜類型的外載荷都能夠采取適當?shù)姆绞綄⑵浞峙芍凉?jié)點處來計算；易于解決有初應力、熱應力的問題；易于處置材料的不均勻性，對各向異性材料也可求解；能夠解決材料的非線性和結構的非線性問題；采納大型的通用有限元程序，可一次計算大型復雜結構的應力、位移、振動和穩(wěn)固性。由

51、于運算機的求解方程組的能力超級壯大，構造模型又超級準確，因此有限元法在運算機上利用極為普遍。有限元方式計算精度高，速度快，可縮短設計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。當圖形繪制完畢，可當即進行網(wǎng)格劃分，并進行強度計算。通過不斷修改圖形和反復計算，能夠使設計質(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、流體力學、機械工程、土木工程、電氣工程等領域取得了普遍應用。由于其所涉及問題和算法大體上都是來源于工程實際，應用于工程中，其解決工程實際問題的能力愈來愈強。在汽車領域，有限元法可用于成立汽車結構系統(tǒng)的振動模型，還能夠用于設計的剛度與變形分析、設

52、計的應力與疲勞分析、碰撞模擬和塑性變形分析等。有限元法的特點有限元能夠取得迅速的進展與愈來愈普遍的應用，除電子運算機技術的進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，綜合來講，有限元法的特點有:有限元法能夠完成復雜結構的分析，它利用離散化將無窮自由度的持續(xù)體力學問題變成有限單元節(jié)點參數(shù)的計算，并將整個系統(tǒng)的方程轉換成一組線性聯(lián)立方程，從而能夠用多種方式對其求解，盡管它的解是近似的，但適被選擇單元的形狀于大小，可使近似解達到中意的精度；引入邊界條件的方式簡單，邊界條件不進入單個有限元單元的方程，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

53、變量模型。而且當邊界條件改變時，內(nèi)部場變量模型不需要改變；有限元法不僅適應與復雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處置各類復雜的材料性質(zhì)問題，另外還可解決非均值持續(xù)介質(zhì)的問題；有限元法考慮了物體的多維持續(xù)性，不僅在離散進程中把物體看成是持續(xù)的，而且不需要用別離的插值進程把近似解推行到持續(xù)體中的每一點；有限元法通常采納矩陣表達形式，超級便于編制運算機程序，從而適應于電子運算機的運算工作；該方式能夠在不同層面上取得闡釋或明白得。對有較深數(shù)學知識的人來講，完全能夠用數(shù)學語言來描述，并取得嚴格推理。而對一樣人來講，能夠只從物理層面上取得明白得。有限元法的計算思路關于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題，有限元求解法

54、的大體思路是相同的，有限元求解問題的大體思路如下：物體離散化-單元特性分析-單元組裝-求解節(jié)點自由度。物體離散化將某個工程結構離散為由各類單元組成的計算模型，這一步稱為單元剖分。離散后單元與單元之間利用節(jié)點連接起來，單元節(jié)點的性質(zhì)、數(shù)量阻礙著描述結構接近程度。因此有限元分析中的結構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，是對原先的物體或結構的近似。如此，用有限元分析計算所取得的結果只是近似結果。只有合理地選擇單元和劃分足夠的單元數(shù)量，才能取得的結果與實際情形相符合。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)點處相連，節(jié)點一樣都在單元邊界上，節(jié)點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了等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，就成為有限元自由度的有限元計算模型，替代了原先無窮多自由度的持續(xù)體。有限元法的實質(zhì)是把無窮多個自由度的彈性持續(xù)體，理想化為有限個自由度的單元集合體，使問題簡化，適合數(shù)值求解。結構的離散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基礎。劃分單元的一樣原那么是:關鍵部位要盡可能利用小單元和高精度單元，應力和位移轉變平緩的部位能夠采納大單元和低精度單元:在邊界曲折、應力集中、應變梯度大的地址，如集中載荷處、散布載荷突變的地址，單元應劃分得細一些:任何單元的節(jié)點也應當是相鄰單元的節(jié)點:材料轉變的地址應當劃分新的單元。單元特性分析在有限元方式中，選擇

56、節(jié)點自由和相應的插值函數(shù)來表示單元的物理量。在結構分析中一樣用位移法進行分析，位移法確實是利用節(jié)點位移和位移函數(shù)來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)表示為坐標變量的簡單函數(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是與坐標有關的i1某種函數(shù)。依照單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)量、位置及其含有等，找到單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，導出單元剛度矩陣，同時計算等效節(jié)點力。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能原理成立單元剛度方程，它事實上是單元各個節(jié)點的平穩(wěn)方程，其系數(shù)

57、矩陣稱為單元剛度矩陣。eeekF(2-1)式中：e單元編號；ke單元剛度矩陣；e單元的節(jié)點位移；Fe單元的節(jié)點力向量。依照單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)量、位置等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析中的關鍵一步?，F(xiàn)在需要用彈性力學中的幾何方程和物理方程來成立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣。物體離散化后，假定力通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元?？墒牵P于實際的持續(xù)體。力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元中去的。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)點上，也確實是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。(1)單元組裝利用結構的平穩(wěn)條件和邊界條

58、件把各個單元按原先的結構從頭聯(lián)接起來，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構整體力向量同整體位移向量之間的關系，因此組成整體剛度矩陣時，能夠依照整體位移向量的順序?qū)卧獎偠染仃囘M行運算。即 TOC o 1-5 h z KF(2-2)式中：K整體結構的整體剛度矩陣;整體結點位移矩陣;F整體結構的等效節(jié)點載荷列矩陣。求節(jié)點的自由度求解整體的有限元方程，取得節(jié)點自由度值。分析計算結果2.3ANSYS軟件介紹ANSY馱件作為世界聞名的美國ANSYS司最具盛名的CAE次件產(chǎn)品，自從引進國內(nèi)以后，由于其具有結構、熱、流體、電磁和耦合場分析功能，而且功能體系完整壯大，取得超級成功

59、地應用和推行，應用于航空航天、軍工、能源動力、船舶、車輛、通用機械等各個行業(yè)，用戶群超級龐大。ANSYS軟件的進展1970年，JohnSwanson博士洞察到運算機模擬工廠應該商品化，于是創(chuàng)建了ANSY%司，總部位于美國賓咯法尼亞州的匹茲堡。20世紀70年代初，ANSYS?序中融入了新的技術和用戶要求，從而使程序發(fā)生了專門大的轉變，非線性、字結構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變，它大大簡化了前處置和后處置。在進行分析之前，可用交互式圖形來驗證模型的幾何形狀、材料和邊界條件；在分析完成以后，計算結果的圖像顯示可用于分析查驗。30連年來，ANSYS司致

60、力于設計分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計算方式和計算技術，引領著世界有限元技術的進展，并被全世界工業(yè)普遍同意，擁有普及全世界的50000多個用戶。ANSYS1供的虛擬樣機設計方式，利用戶減少了昂貴費事的物理樣機進程，在一個了持續(xù)的、彼此協(xié)作的工廠設計中，結構設計貫穿于整個產(chǎn)品開發(fā)進程，而且工作人員之間像一個團隊一樣彼此協(xié)作。ANSY價析模擬工具易于利用、支持多種工作平臺，并在異種異構平臺上數(shù)據(jù)百分百兼容，提供了多場耦合的分析功能。在眾多的有限元軟件中，ANSYSB件是將結構、熱、流體、電磁及聲學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、機械制造、能源、汽車、核工業(yè)、鐵路、石油化