海洋平台导管架构件参数自动计算系统

1 前言随着我国海洋石油战略的实施，海洋石油开发显得越来越重要。

导管架海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施，由于性能优良，施工方便等优点，很快得到推广和发展。

因此针对目标平台所处海域海况以及生产需求的导管架海洋平台优化设计成为一项重要的研究内容。

由于海洋平台结构复杂、体积庞大，传统的分析方法由于计算过程繁杂、计算量大等原因难以对导管架海洋平台整体的位移及各局部结构的受力状态给予准确计算。

笔者借助于大型CAE软件ANSYS的优化分析功能，以国内某导管架海洋平台为研究对象，通过建立合适的导管架平台有限元模型，对海洋平台在海洋波浪荷载和风荷载作用下的受力进行分析，并对海洋平台进行优化，从而为海洋平台为安全运行、成本控制提供了合理的数字化分析结果。

2 导管架海洋平台模型建立本文以某导管架海洋平台为例，计算结构总模型及各层间导管布置如图1所示，采用固定式导管架结构，生产平台导管架为6腿成矩形布置，工作点平面尺寸为32m×34m。

上部组块共分四层，主尺寸为46m×40m，层高8m，设计水深为12.2m。

该类型的海洋平台由上部结构和基础结构两部分组成。

上部结构指平台的甲板梁、板、立柱等结构；基础结构又叫支承结构，由导管架和桩组成。

3 导管架海洋平台受力分析运用ANSYS软件，对导管架平台进行受力分析，得到平台的最大位移，最大MISES应力的变化情况。

平台腿1和腿2的水平向位移及MISES应力随平台腿深度的变化如图6和图7所示。

由图6和图7可以看出，当平台腿深度为0.88m时，平台腿2的水平方向位移为7.96mm，对应该位置点的MISES应力为4.85MPa；当平台腿深度增大到11.3m时，平台腿2的水平方向位移为2.44mm，对应该位置点的MISES应力为9.40MPa；由此可以得出，随着平台腿深度的增大，导管架腿的Y方向位移逐渐减小，但其MISES应力逐渐增大。

4 导管架平台优化分析ANSYS结构优化提供两种算法，一种是零阶近似算法，另一种是一阶算法，本文采用一阶算法，选择各层型钢梁以及导管架结构中柱的剖面尺寸作为优化设计的对象。

基于统一设计变量方法的导管架海洋平台动力优化设计摘要：导管架海洋平台作为一种大型的空间刚架结构是海上石油作业的主体结构。

其构造复杂造价昂贵需要耗费大量的钢材。

因此在满足各种工作条件的前提下寻求对其结构的优化以减少重量降低成本具有重要的工程应用价值。

基于统一设计变量方法实现了导管架海洋平台在动冰载荷作用下的截面和形状动力优化设计。

计算结果表明应用统一设计变量方法同时进行截面和形状的优化设计结果明显好于截面优化设计结果。

关键词：优化设计；统一设计变量；导管架平台；动冰载荷引言海洋油气资源的开采离不开海洋平台。

海洋平台是一种海洋工程结构物，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。

随着我国海洋事业的快速发展，海洋平台在诸多海域得到了广泛的应用。

目前，应用海洋平台最为广泛的领域是海上油气资源的勘探与开发。

1意义导管架平台是当前全球海洋石油开采中使用较普遍的一类海洋结构物，它具备以下特征：以圆管为主要支撑构件，圆管横切面具备各向同性、封闭的特性，结构受力状态良好，易于加工建造，避免大范围与海水接触，防腐性能高；浮力作用明显；导管架腿型式影响着整个平台的稳定性；确定导管架设计位置后就能够打桩，简单快捷；平台在海上安装前可以在地面上分块建造，可以缩短工期，节省投资。

在此基础上，导管架平台在海洋石油天然气开采产业的使用较为普遍。

导管架平台的桩腿是其主要支撑结构，一般均是从腿内打主桩。

整个平台的稳定性主要受桩腿的承载能力的影响，而裙桩套筒的作用是连接平台的腿和桩。

在海洋开采产业由浅海开采到深海开采的背景下，腿内打主桩无法继续使用，只能通过水下打裙桩来代替。

与此同时，随着向深海方向的发展，由于更加严峻的海洋环境，导管架平台遇到了更大的挑战，对连接导管架裙桩套筒结构的设计提出了更严苛的要求。

2优化算法2.1随机搜索法（rand）随机搜索法可完成指定次数的分析循环并在每次循环中使用随机搜索变量值。

用户可以指定最大迭代次数和最大合理设计数。

导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus 设计作者：祁磊孙宝龙曹先凡姚志广赵开龙来源：《计算机辅助工程》2013年第05期摘要：介绍导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus的设计.Sacs2Abaqus软件能够将SACS的计算结果转化为Abaqus的后处理模型和结果.该软件能够实现导管架模型转化、导管架平台建造、装船、拖航、吊装和滑移下水等SACS模型和结果的处理.所完成的程序能够以动画云图等形式动态显示导管架安装施工的整个过程.这对于导管架设计中发现实际问题具有非常大的帮助.关键词： Sacs2Abaqus； Abaqus； SACS；导管架中图分类号： TE951；TB151.1文献标志码： B引言SACS软件对导管架平台的设计建模非常强大，能够进行导管架滑移下水建造装船等安装过程的分析，但其后处理不直观，仅以数据的形式给出导管架安装过程中结构的响应.Abaqus 等通用有限元软件后处理功能非常强大，能够以云图和动画等形式对应力、应变和位移加速度等进行直观显示.同时，允许用户对结果进行重新计算和分析.由于SACS软件与Abaqus之间没有通用接口，不能共享数据及结果，因此本文借助这2个软件开发一款能够直观模拟导管架平台安装施工过程的专用接口软件Sacs2Abaqus，对导管架平台海上安装过程的力响应和姿态响应进行仿真.Sacs2Abaqus软件主界面采用C++语言编写，相应模块采用Python语言进行编写.该软件主要包括导管架模型转化模块、导管架建造模块、导管架装船模块、导管架拖航模块、导管架吊装模块和滑移下水模块等6个模块.1模块设计该软件的6个相互独立的功能模块可以独立地完成对SACS模型和结果的转化.6个模块按输出结果的类型主要分为2类.（1）姿态结果输出，包括导管架吊装模块和滑移下水模块.（2）应力等响应结果输出，包括导管架建造模块、导管架装船模块和导管架拖航模块等.1.1导管架滑移下水和吊装模块设计滑移下水模块各子模块相互关系见图1.导管架滑移下水及吊装模块主要输出导管架安装过程中的运动姿态.导管架滑移下水程序模块主要由8个子程序模块构成，各子模块主要作用如下.（1）Main_launch主程序模块：调用其他模块数据，并将其转换为odb格式的导管架模型和结果视图.（2）jacket导管架模型模块：主要作用是搜索并读入SACS模型数据，并按照一定数据格式保存以备调用.（3）Phases_motions模块：主要作用是根据读取的滑移下水姿态数据识别滑移下水不同阶段，将其进行重新转换计算，以备其他模块调用.（4）barge驳船模型模块：根据jacket模型生成驳船模型数据.（5）barge_location驳船定位模块：根据导管架的位置对驳船进行定位.（6）readSacsFile模块：以对话框形式提示用户给出所需SACS文件的路径.（7）Sea模块：建立海平面及海底模型，方便查看导管架下水过程中的相对位置.（8）CS模块：转换SACS与Abaqus中不同工况下不同的坐标系统.在姿态分析模块中，需要将SACS结果中对导管架的运动姿态描述转化为Abaqus后处理所能识别的姿态描述，两者有很大的不同.SACS定义2种坐标系统：Launch/Barge 坐标系统（见图2）和摇臂坐标系统（见图3）.[1]不同阶段驳船与导管架的运动通过不同的坐标系统描述.图 2Launch/Barge坐标系统图 3摇臂坐标系统驳船的运动采用Launch/Barge坐标系，用驳船重心的3个方向的平动（heave，surge和sway）和3个方向的转动（pitch，raw和roll）来描述.导管架在滑移下水中除采用Launch/Barge坐标系外，某些阶段还用到摇臂坐标系.在Abaqus中采用此方法描述下水系统的运动较难，几乎无法实现，但可以给出不同时刻导管架和驳船各个节点的位移，以这种方式描述导管架和驳船的运动.因此，需要将SACS中重心的平动和转动运动转换为Abaqus中导管架和驳船各节点的x，y和z等3个方向的位移，由CS模块来完成的.坐标系转换公式见图4.[1]图 4坐标系转换公式1.2导管架应力响应模块设计SACS力分析结果可以输出各种工况下每个单元首尾节点的轴向应力、剪切应力、反力和弯矩等结果.导管架力响应接口程序[2]主要由4个模块构成.（1）main_build主程序模块的主要作用是调用其他模块的数据生成Abaqus的odb文件.（2）jacket模块的作用是将SACS模型数据转化为Abaqus所能识别的格式.（3）readSacsFile模块的作用是以交互界面提示用户给出SACS文件的路径.（4）membersReport模块的作用是读入SACS导管架的响应结果数据，并按照main_build 主程序所要求的结构形式生成数据.2交互界面设计图形用户界面本着直观简洁、操作方便的原则设计，用对话框和系统菜单的形式对安装过程各个阶段进行设计，以方便操作.图形用户界面采用C++ MFC与Pyhon语言联合进行编写，解决这2种语言间的相互调用问题.导管架建造、装船、滑移下水和吊装等接口程序具有独立性，用户界面与导管架接口程序的链接将各接口程序统一链接到用户界面中，使用户能够按照意愿对所关心的SACS计算的任何一个安装过程的结果进行基于Abaqus平台的后处理结果转换，并针对导管架滑移下水、建造、安装和装船等各接口程序进行程序指令的错误发现、接口程序异常处理及错误报告事件追踪的处理等，使软件能够较好较快的运行.图形用户界面见图5.3结束语介绍导管架平台海上安装接口软件Sacs2Abaqus的设计.该软件能够将SACS的计算结果转化为Abaqus的后处理模型和结果，能够实现对导管架模型转化、导管架平台建造、装船、拖航、吊装和滑移下水等SACS模型和结果的处理.所完成的程序能够以动画云图等形式动态显示导管架安装施工的整个过程.这对导管架设计中发现实际问题具有非常大的帮助.参考文献：[1]张光发，李铁骊，纪卓尚，等. 导管架下水参数计算程序设计[J]. 大连理工大学学报，2004， 44（3）： 416420.[2]祁磊，秦延龙，刘振纹. 导管架平台响应接口程序开发[C]//2012年中国造船工程学会学术论文集， 2012： 107112.（编辑于杰）。

海洋导管架结构
海洋导管架结构是由中空的腿柱和连接腿柱的纵横杆组成的钢质桁架结构。

这些腿柱通常作为打桩时的导向管，因此得名导管架。

导管架是海洋石油开采中的核心结构和主要受力构件，部分处于海平面以上，部分处于海平面以下，长期承受海浪、海流等的载荷作用，服役环境条件恶劣，受多种组合应力的作用。

导管架的形式可以根据导管数量进行分类，主要有三导管形式、四导管形式和八导管形式。

其中，八导管形式的导管架结构在石油资源开发中具有重要的应用，由于具有面积较大的甲板，它在承载力方面具有极大的优势。

导管架依靠桩固定于海底，桩结构有主桩式和裙桩式两种。

主桩式即所有的桩均由主腿内打入；裙桩式是在导管架底部四周布置桩，裙桩一般是水下桩。

桩的设计需要考虑到导管架在施工和使用阶段各构件出现的内力，以确保桩身强度、刚度和稳定性。

总的来说，海洋导管架结构是海洋平台的重要组成部分，其设计和建造需要考虑到多种因素，包括环境条件、载荷作用、结构形式、桩的设计和固定方式等。

1导管架：导管架、桩基、导管架帽、甲板模块。

半潜式：沉垫、立柱和撑杆、上平台体。

自升式：水密箱型平台主体、桩腿、升降系统、沉垫、桩腿、自升装置、模块。

2次要构件：其实效不会影响平台结构整体完整性，属于不重要构件，如沉垫、支柱、支撑的一般内部结构。

模块内部的一般构件及模块甲板等。

主要构件：对平台结构整体完整性有重要作用的构件，如立柱、腿柱、主要支撑、导管架的桩、固桩区。

沉垫的外板以及计入总体强度的隔舱、桁材等。

该类结构若发生事故，尚可修复，但均系平台基本结构中的主要构件。

特殊构件：在关键载荷传递点和应力集中处的主要构件。

该类结构遭到破坏，则可能造成严重的事故，甚至造成整个平台破坏，难以修复。

如各节点、节点内外加强处、承载重载荷的梁、锚链导轮等。

3移动式钢制平台与船舶建造相似处，设计原理、建造工艺技术，工艺装备、建造方法和流程。

差异：安装误差要求严格，焊接质量要求高，无损探伤范围大，焊缝打磨范围大，每一零部件都要有详细的数据和记录。

4海洋工程装备技术发展趋势：深水、大型化、集约化、智能化、清洁化和水下生产体系。

新概念海工装备设计开始出现。

海工装备制造技术发展趋势：制造技术：数字化制造技术，绿色制造、全生命周期制造技术；制造模式：总承包技术；关键技术：巨型组块制造和吊装技术、高强度海洋用钢高效焊接技术、长效防腐技术、模块制造技术、轻量化技术、新概念无损检测技术。

5新半潜平台特点：采用简单的结构型式，大量使用高强度钢（强度高、韧性好、可焊性好）5海工装备设计建造过程中标准单位：IACS、美国石油学会、美机械工程师学会、美土木工程师学会、美矿产管理局、美海岸警备队、美材料与试验协会、美焊接协会、美钢结构协会、美防腐工程师学会。

美国家标准协会。

6主要区域：双层底甲板，主甲板，管架甲板，甲板盒外壁/内壁，立柱外板，支撑管，浮筒顶/底甲板，浮筒外板特殊区域：疲劳危险区域，或图标记区域，例如：浮筒顶甲板z向甲板，甲板盒内底板z向甲板，浮筒与立柱的连接部分。

1)海洋平台按运动方式分为哪几类？列举各类型平台的代表平台？固定式平台:重力式平台、导管架平台活动式平台:着底式平台（坐底式平台、自升式平台）、漂浮式平台（半潜式平台、钻井船）、浮式生产储油卸油船FPSO半固定式平台:牵索塔式平台Spar、张力腿式平台TLP 2)海洋平台有哪几种类型？各有哪些优缺点？固定式平台：优点：整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小，抗风暴的能力强缺点：机动性能差, 较难移位重复使用活动式平台：优点：机动性能好缺点：整体稳定性较差，对地基及环境条件有要求半固定式平台：优点：适应水深大，优势明显缺点：较多技术问题有待解决3)导管架平台的设计参数有哪些？平台使用参数、施工参数、海洋环境参数、海底地质参数4)导管架平台的主要轮廓尺寸有哪些？甲板尺寸、甲板高程、导管架的顶高程底高程和层间高程、飞溅区范围、冰磨蚀区范围、导管架腿柱倾斜度、水面附近的构件尺度、桩尖支承高程5)桩基是如何分类的？按打桩方式：打入桩、钻孔再打桩、钻孔灌注桩及爆扩桩按桩的材料：钢管桩，普通钢筋混凝土方桩及普通或预应力混凝土桩等钢管桩的底端型式：开口式、封闭式、半封闭式桩基础的型式主要有：主桩式和群桩式6)受压桩的轴向承载力计算方法有哪些？现场试桩法，静力公式法，动力公式法，地区性的半经验公式法7)横向载荷作用下单桩的破坏性状有哪些？P104桩顶产生水平位移和转交，桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。

桩身由于载荷产生的弯矩过大而断裂；桩周土被挤出，导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移过大。

分为刚性桩破坏、半刚性桩破坏、柔性桩破坏8)什么是群桩效应？当组成群桩的各个单桩间距较小时，由于相邻桩的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特性要收到影响。

9)设计导管架的基本依据？P126水深，海洋环境，甲板空间，施工场地与设备10)简述静力计算和动力计算的区别？P147静力计算研究的是静荷载作用的平衡问题，结构的质量不随时间快速运动，因而无惯性力。