基于ABAQUS_AQUA的深水导管架平台动力分析研究_杨江辉

格式：pdf
大小：787.23 KB
文档页数：5

下载文档原格式

/ 5

面向动力性能的抗冰导管架平台优化设计研究的开题报告

面向动力性能的抗冰导管架平台优化设计研究的开题报告一、研究背景及意义冰冻条件下的导航系统给海上航行带来了巨大的挑战，尤其是在极地区域。

由于海冰有可能破坏或卡住导管架的阻尼系统，因此导管架必须能够在这种情况下保持其结构完整性和防震性能。

此外，水下管道的抗弯挺度也需要满足运行要求，同时还需要满足高的动力性能。

因此，如何在冰冻条件下提高导管架的结构完整性和动力性能，是当前海上油气输送工程中的一个重要问题。

二、研究内容和技术路线本文旨在研究面向动力性能的抗冰导管架平台优化设计，并通过实验验证优化设计的有效性。

具体研究内容为：1. 研究海上油气输送系统中导管架的结构参数和工作条件，及其对结构完整性和动力性能的影响。

2. 建立导管架的有限元模型，通过对导管架的静力和动力响应分析，确定其设计参数范围。

3. 基于有限元模型，通过设计参数优化、减震技术等方式优化导管架的结构，提高其抗冰性能和动力性能。

4. 构建抗冰导管架的试验平台，对优化设计的导管架进行实验验证，并对试验结果进行分析。

技术路线：1. 研究分析海上油气输送系统的导管架设计和工作条件，并对其进行建模和研究。

2. 利用Abaqus/Ansys等有限元软件，建立导管架的有限元模型，并通过对等静力和动力响应的分析，确定优化设计的参数范围。

3. 通过质量阻尼器、手动阻尼器等减震技术的应用，对导管架的结构进行优化设计，提高其抗冰性能和动力性能。

4. 构建试验平台，对优化设计的导管架进行实验验证，并对试验结果进行分析。

三、预期成果及意义该研究旨在基于实验和模拟技术，研究面向动力性能的抗冰导管架平台优化设计。

通过优化导管架的设计和结构，提高其抗冰性能，从而提高海上油气输送的安全性和可靠性。

本研究的预期成果包括：1. 研究海上油气输送系统中导管架的设计和工作条件，及其对结构完整性和动力性能的影响。

2. 建立导管架的有限元模型，并通过实验验证其有限元模型的正确性。

3. 通过优化设计，提高导管架的动力性能、抗冰性能和结构完整性，提高其在极地区域的使用效果。

深水桩基导管架平台随机波浪动力响应分析

１．基导管架平台动力分析体系２桩桩基导管架平台通常在泥面处把结构分成两个子系统，在泥面以的予结构考虑周围水的影响，在泥面以下的予结构考虑土壤的耦合作用。对导管架泥面以上子结构其运动方程可表示如＿Ｆ：
为结构前点加速度矢，
＝
Ｆ＝Ｆ
为结构节点速度欠壁，
为土动力欠最，Ｂ为了结构之
丽力矢量。
（）３
（）４
２基础模型以及结构模型
２１基模拟．桩桩基导管架平台桩基与土壤之间的相互作用简化为４类非线性弹簧，分别为：水平弹簧，用来模拟土壤对桩的水平载荷作用；竖直弹簧，用来模拟土壤对桩的表面摩擦载荷作用；扭转弹簧，用来模拟土壤对桩的表面摩擦载荷引起的扭转作用；桩端弹簧，用来模拟土壤对桩的承载作用。在波浪动载
３随机波浪动力响应分析
３１机波浪理论．随
波浪载荷是一种随机载荷，多年来研究海浪的学者形成了很多种描述海浪的模型，其中最具有代
自振周期变大，其自振频率可能同能量较大的波浪载荷频率接近，即使不发生共振，也有可能使结构产生较大的动力响应。ＡＩＰ规范中规定当设计海况在接近平台自振频率的范围包含有显著的波能时，必须对基于静力分析而设汁的结构作进一步的动力分析。
ｌ桩基导管架平台动力分析体系和运动方程

导管架平台动力性能及安全性分析

导管架平台动力性能及安全性分析作为常见的海上结构,导管架平台在完成钻井、采油、储油等作业的同时,由于长期暴露在海洋环境当中,会受到恶劣的天气环境以及其他诸多复杂因素的影响,有时还会受到爆炸、撞击等偶然载荷的作用,因此平台倒塌事故时有发生,这不仅造成了严重的环境污染,同时也带来了巨大的经济损失。

为保证结构在恶劣环境下的抗倒塌能力,延长结构的服役期,有必要从整体结构层面出发,研究平台结构的整体安全性能。

目前导管架平台的整体安全水平研究主要围绕在静力载荷作用分析的阶段,由动力载荷造成的整体倒塌以及所体现的安全储备方面研究较少。

同时,对于导管架的倒塌过程,很少进行结构内部杆件的屈服过程与塑性发展特性相关探讨。

本文针对以上几个问题展开了相关研究：探究了非线性方法在有限元分析中的实施手段。

对于常见的倒塌分析,一般要求考虑材料、几何非线性,从而能够模拟更为反映实际情况的倒塌过程,因此有必要深入了解非线性在结构分析中的实施过程与分析手段。

将推导二维梁单元的几何、材料非线性有限元模型,结合Newton-Raphson方法编制程序,研究非线性在结构分析中对计算结果产生的影响。

研究了导管架平台的静力倒塌安全性。

采用某冰工况下的环境要素,以及基于提高重现期的载荷增量方法,对平台进行了Pushover分析,得到了不同方向的结构承载力与杆件塑性发展过程,进而根据其储备强度(RSR)探讨了结构整体安全性能；编制了逐步回归响应面程序,该方法不需提前给出功能函数,且计算效率较高。

然后,计算了结构的整体可靠度,并通过给定拟合方程的JC法验证了程序的可靠性。

研究表明,尽管两类指标的研究侧重点不同,但两类指标均能很好地对结构的安全性进行描述。

在地震作用下,对导管架平台进行了动力性能研究。

选择了26条具备不同频谱特性的三向地震记录,采用IDA方法对结构进行了动力增量分析,在分析中记录不同地震波作用下结构全过程响应信息与杆件状态信息,以及塑性点、倒塌点对应的载荷水平。

基于ABAQUS的深水立管强度分析

模、交互式提交作业和监控运算过程，以及结果评估（即后处理）等能力。ＡＢＡＱＵＳ／Ｖｉｅｗ是ＡＢＡＱＵＳ／
线性叠加，每一个波动分量的方向余弦可以根据
静水面来定义。ＡＢＡＱＵＳ软件默认，Ａｉｒｙ波由波长Ａ定义，当然，也可以用波浪周期定义，对于Ａｉｒｙ波，
模拟近海结构，如海上石油钻井平台，其它一些功能包括模拟波浪、风载及浮力的影响等。
ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ和ＡＢＡＱｕＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ。其中在
ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ中还附加了３个特殊的分析模块：ＡＢＡＱＵＳ／Ａｑｕａ、ＡＢＡＱＵＳ／Ｄｅｓｉｇｎ和ＡＢＡＱＵＳ／
选用线性波（Ａｉｒｙ波）和非线性波（五阶Ｓｔｏｋｅｓ波），校核标准选用了ＡＰＩＲＰ２ＲＤ，以最大使用系数的形式直观分析计算结论，给出１ＴｒＲ立管强度分析的推荐做法。关键词：海底管道；波浪理论；立管强度中图分类号：Ｕ６７４．３８文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－７９５３（２０１３）０２－０１１５－０４
收稿日期：２０１２—０８— ０８
修回日期：２０１２— ０８— ３０基金项目：国家８６３计划（２００４ＡＡ６１７０１０）第一作者简介：夏日长（１９８１一），男，硕士，工程师

基于SESAM的导管架平台结构动力响应分析

基于SESAM的导管架平台结构动力响应分析渠基顺;管义锋;卢燕祥【摘要】利用SESAM软件对渤西QK18-2固定式平台进行分析计算,建立了渤西QK18-2固定式平台的有限元模型,考虑到海底地基的变形,将泥面以下桩-土相互作用用等效的直立桩模拟.对渤西QK18-2固定式平台在波浪作用下的动力响应进行分析,得出了相关结论,最后以波浪载荷作为海洋平台结构的主要环境载荷对导管架海洋平台进行了结构强度校核.【期刊名称】《江苏船舶》【年(卷),期】2013(030)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】导管架平台;动力响应;有限元【作者】渠基顺;管义锋;卢燕祥【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U661.40 引言海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，与陆地结构相比，它处在恶劣的环境中，承受着多种随时间和空间变化的随机载荷，包括波浪、海流、风、潮汐及海冰等引起的载荷的联合作用，同时还受到地震的威胁[1]。

对海洋平台进行动力分析，首先进行自由振动分析，确定平台结构的固有频率和振型;其次根据海洋平台的振动周期和平台作业区波浪的周期，分析平台结构发生共振的可能性;最后，对平台进行瞬态响应分析，计算平台在波浪力、风载荷和海流等作用下的动力响应，得到海洋平台在极端载荷下的位移、应力等强度和安全性的评价数据[2]。

在波浪力及碰撞力的作用下，导管架与外界环境进行耦合，桩与土之间存在着非线性动力耦合作用。

Berge和Penzien提出了波浪作用下结构的随机响应分析方法。

波浪环境采用了修正的PierSon-Moskowitz波浪，研究了平台响应对波浪的敏感性问题，该方法最大的贡献在于引入了有限元分析程序。

Kareem，Hsieh和Tognarelli[3]分析了海洋平台在非高斯海况载荷下的频域响应，比较了深海导管架平台在高斯和非高斯分布波浪载荷作用下振动响应的概率统计特性，计算了二阶波浪力对平台结构的影响。

导管架平台力学性能分析研究

导管架平台力学性能分析研究
肖美蛟;王海涛
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2013(035)003
【摘要】平台结构在海洋中长期承受着风、冰、浪以及地震等多种环境因素的干扰,尤其是对于服役中后期的海洋平台,及时掌握平台结构的安全状况是十分必要的.本文以某导管架式固定平台为研究对象,基于大型有限元分析软件平台,建立了导管架平台的结构模型.在此基础上进行了静力分析、冰荷载影响下的瞬态分析、模态分析、波浪荷载下的结构响应分析以及地震响应分析,并分析了平台的自振特性及随机波浪影响下的结构位移响应,得到了平台在冰荷载、波浪力作用下的受力特点以及平台的模态振动规律.分析结果显示,该平台具有较好的抗冰、抗波浪力能力,但应避免平台的低频振动和较大强度的冲击载荷,而且平台桩腿和支撑杆始终是其较为薄弱的构件.
【总页数】3页(P47-49)
【作者】肖美蛟;王海涛
【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300072
【正文语种】中文
【中图分类】TU476.1
【相关文献】
1.基于ABAQUS/AQUA的深水导管架平台动力分析研究
2.导管架平台在冰载荷作用下的动力响应分析研究
3.高性能纤维环氧树脂基复合材料力学性能分析研究
4.输水盾构隧道纵缝压弯力学性能分析研究
5.波斯湾中受随机波作用的某新建离岸导管架平台时域动力分析研究（英文）
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

海洋导管架平台碰撞动力分析

第20卷第6期2008年12月中国海上油气CHIN A OF FSH OR E O IL A ND G A SV ol.20 N o.6Dec.2008作者简介:秦立成,男,硕士,2007年毕业于中国石油大学(华东),现主要从事海洋平台安装设计研究工作。

地址:天津市塘沽区闸北路3号海洋石油工程股份有限公司安装工程技术中心(邮编:300452)。

海洋导管架平台碰撞动力分析秦立成(海洋石油工程股份有限公司)摘要利用ANSYS/LS -DYNA 程序可以进行结构动力大变形、复杂非线性准静态问题以及接触、碰撞问题的分析。

尝试采用ANSYS/LS -DYNA 显式方法建立船舶与导管架平台的碰撞动力分析模型,利用自动接触算法,得出了不同情况下碰撞过程中能量转变和平台上层甲板中心动力响应规律,以及碰撞点最大Vo n mises 应力和变形,并验证了所分析结果的准确性。

利用本文分析方法可以对海洋工程构件碰撞损伤程度进行预测;本文分析结果可为平台设计和损伤评估提供参考依据。

关键词海洋导管架平台碰撞动力分析 ANSYS/LS -DYNA 海洋平台处在复杂的海洋环境中(特别是在深水海域),当海况比较恶劣时,船舶过往或停靠平台时容易和导管架发生碰撞。

据统计[1],仅在1981)1986年的5年间,国内外由于碰撞引起的平台损伤事故就有22起,占总平台损伤事故的22%,因此进行海洋平台碰撞动力分析是十分必要的。

碰撞过程是巨大冲击载荷作用下的复杂动态响应过程,具有明显的非线性动力特征,这就为海洋平台的碰撞研究增加了难度。

海洋平台在碰撞过程中受到的损伤程度会受到周围环境、撞击位置、船舶吨位、航速、撞击方向等多种因素影响。

对于一些大型海工结构物,如果采用试验的方法进行研究,不但试验费用高昂,而且只能采用按比例缩小的模型模拟,误差较大。

金伟良等[2]曾把船体等效成具有速度和质量的无体积刚体,忽略船体的变形,对WEN 13-1海洋导管架平台结构受到大吨位起重铺管船的碰撞进行了非线性数值动力模拟,得出接触时间不同对碰撞结果会产生很大影响的结论。

基于腽气QUS／AQUA的深水导管架平台动力分析研究

大型通用有限元软件ＡＡＱＵＳ的海工模块，模块的用途是模拟海Ｂ该
．．：
上结构，如海洋石油平台或船体。其具体功能包括模拟波浪、载例风荷、力和海流拖曳力的影响等。本文使用ＡＢ浮ＡＱＵＳＡＱＵＡ，现／实
维普资讯
第２２卷
第６期
中国
海
洋
平
台
・Байду номын сангаас９２・
文章编号：０１４０（０７０ —０２ —０１０— ５０２０）６０９５
基于
ＱＵＳＡＱ／ＵＡ的深水导管架平台动力分析研究
杨江辉张宏，锦昆。，刘，何锋
惯性力影响。通过大量数值模拟计算，出了一些有规律性的曲线，随机波作用下深水导管得为
架动力响应分析提供借鉴。关键词：台；流耦合；力响应；ＡＱＵｓＡＱＵＡ平波动ＡＢ／中图分类号：Ｐ５７２文献标识码ｉＡ
维普资讯
・
３・Ｏ
杨江辉等
基于ＡＡＱ／ＵＡ的深水导管架平台动力分析研究ＢＵＳＡＱ
２００７年１２月
可得到作用于某个质点上的波浪力：
一
￣ｐＭ１（－）Ｃ孚
，
＋孕ｌＤ
．ｃ。
（．１中国石油大学，京１２０北０２０
２胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司，．东营２７０）５００

海上风电深水导管架基础过渡段有限元模拟分析

海上风电深水导管架基础过渡段有限元模拟分析摘要：海上风电导管架过渡段主要连接下部结构和上部塔筒，起到承上启下的关键作用，因此对其的设计及校核尤为重要。

本文应用非线性有限元分析软件ABAQUS，采用静力学方法对海上风电深水导管架基础斜箱梁式过渡段进行了数值模拟分析，分析结果表明，该过渡段形式能适用于深远海导管架支撑结构上，为我国深远海海上风电支撑结构设计提供借鉴和参考。

0引言由于海上风电场风速高、风况优、湍流强度低、有稳定的主导风向，不消耗陆地资源等优势，世界范围内（包括我国）都对近海风电场进行了大规模的开发，目前国内已适宜开发的近海风电资源日益减少，风电开发走向深远海是必然的趋势。

海上风电机基础的成本是海上风电成本的重要因素，在中深水区域，导管架基础比单桩基础有更好的安全性和经济性。

虽然导管架基础在国内应用处于起步阶段，但是我国在石油平台设计、施工领域经验丰富，可以借鉴使用。

目前导管架基础过渡段形式主要有斜撑式过渡段和箱梁式过渡段两种，不同过渡段形式的传力方式不同，结构用钢量不同，本文选取具备优势的斜箱梁式过渡段为研究对象，为以后后续海上风电场导管架过渡段设计提供一定借鉴意义。

1计算模型及结果目前海上风电领域导管架基础主要采用两种过渡段型式，一种为平箱梁式过渡段，一种为斜箱梁式过渡段。

本文以四桩导管架基础为例，针对斜箱梁式过渡段方案开展设计，斜箱梁式模型主要由主钢管、斜顶板、底板、腹板、支撑管、过渡段内加强板等6部分组成，如图1.1所示。

图1.1 过渡段模型1.1有限元模型设置模型采用的单元类型为四节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元（S4R单元），钢材弹性模量为2.1× 1011 Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg /m3。

风机荷载通过参考点施加至主钢管顶部位置，并全约束支撑管底部。

网格大小为300mm×300mm，网格总数量为16435个。

为使计算结果更为精确，通过3步加载荷载，分别是重力荷载加载、风机荷载的竖向力加载、风机荷载的扭矩、弯矩和竖向力加载，风机极限和疲劳荷载见下表1.1表1.1 风机荷载表1.2计算结果导管架基础过渡段设计时需重点考虑极限荷载下自身的强度问题和风机长期荷载作用下的疲劳问题，需要进行极限强度分析和疲劳分析导管架的极限强度分析的目的是为了校核上部过渡段板壳与主钢管的结构设计，为进一步的局部详细结构设计提供参数及建议。

ABAQUS在深水顶张力生产立管模态分析中的应用

第09卷第2期中国水运 Vol.9 No.2 2009年 2月 China Water Transport February 2009收稿日期：2009-01-05作者简介：孙传栋，中国海洋大学工程学院。

ABAQUS 在深水顶张力生产立管模态分析中的应用孙传栋1，黄维平1，曹静2（1中国海洋大学工程学院，山东青岛 266100；2中海石油研究中心，北京 100027）摘要：简要介绍了综合有限元分析软件ABAQUS 并概述了结构模态分析理论。

用ABAQUS 对深水顶张力生产立管进行建模，并提取了其固有频率，对其进行了模态分析。

研究了不同的立管顶张力对其固有频率的影响。

关键词：ABAQUS；深水顶张力生产立管；模态分析；顶张力中图分类号：P238.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2009）02-0176-02引言随着中国海洋石油天然气工业的发展，越来越多的油气资源在深水区域被勘探和发现[1]。

这就需要深水立管连接水面浮式装置和位于海床上的海底设备。

立管内部一般有高压的油或气通过，外部则承受着浪、流的作用。

所以深水立管在深海油气开发中的地位是非常重要的，但同时又极易发生破坏。

因此采用有限元方法，利用综合有限元分析软件ABAQUS 对深水立管进行结构动力分析，找出立管的关键应力点和疲劳点。

因此在设计中采取相应措施，避免立管发生强度和疲劳破坏，这不仅能减少工程造价，而且能提高立管的服役年限。

深水立管是一个复杂的振动系统。

振动系统的固有特性一般包括固有频率和振型，它们属于系统的动态特性，对系统的动态响应、动荷载的产生与传递、系统的振动形式等有重要的影响。

所以，本文对其模态进行分析。

一、ABAQUS 软件介绍ABAQUS 是美国ABAQUS 公司（原名HKS 公司，即Hibbitt,Karlsson&Sorensen,Inc.）的产品。

ABAQUS 是一套功能强大的进行工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

文章编号:1001-4500(2007)06-0029-05基于ABAQUS /AQUA 的深水导管架平台动力分析研究杨江辉1,张宏2,刘锦昆3,何锋4(1.中国石油大学,北京102200;2.胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司,东营257000)摘要:运用A BA Q U S/A Q U A 中的波流耦合算法模拟分析了较大水深海洋导管架平台在随机波浪作用下的应力变化及振动响应过程,包括海流载荷引起的拖拽力作用和附连水质量惯性力影响。

通过大量数值模拟计算,得出了一些有规律性的曲线,为随机波作用下深水导管架动力响应分析提供借鉴。

关键词:平台;波流耦合;动力响应;ABA QU S/A QU A中图分类号: P752 文献标识码:A1 引言我国海洋石油开发经历了两个发展阶段。

1957年到1979年为第一阶段,并在渤海浅水区进行开发试验。

1980年开始的第二阶段是合作开发阶段,这阶段我国海洋石油执行了将自主经营和对外合作相结合的政策,即利用国外的先进技术和资金来开发我国的海洋石油资源,海上油气开发逐步由浅水迈向了深水,导管架平台被广泛应用于海上油田开发。

随着工作水深的增加,平台桩腿延长,整体刚度变小,自振频率降低,对波浪的激振较为敏感,即使在未发生共振的条件下,结构动力响应也可能很大。

因此必须对较大水深导管图1 平台几何模型架平台进行动力分析。

ABAQU S/AQUA 是美孚石油公司同ABAQU S 公司合作开发的大型通用有限元软件ABAQU S 的海工模块,该模块的用途是模拟海上结构,例如海洋石油平台或船体。

其具体功能包括模拟波浪、风载荷、浮力和海流拖曳力的影响等。

本文使用ABAQU S/AQUA,实现对较大水深的八腿柱导管架平台的动力响应分析。

找出其在随机波浪作用下的动力响应规律,为我国深水油气资源的开发提供借鉴。

2 计算理论和方法在深水导管架结构的动力响应分析中,波浪力是十分重要的,它是平台设计中的控制荷载。

计算小尺度孤立桩柱上的波浪力是由莫里森提出,但对导管架平台而言,由于导管架是一个无限自由度的连续体,且结构是由细长杆件构成(如图1),考虑到实际结构理想化后,波浪和结构之间相对运动的力都集中作用在质点上[1],因此要对莫里森方程进行修正。

假定:(1)波浪力随水深减小的变化呈台阶性,以质点相邻节间的中点之间的整个区段为一台阶;(2)作用于每杆件上的波浪力,邻近杆件并不干扰流体运动,采用未扰动流体速度计算波浪力。

作用于某质点上的波浪力是实际结构与该质点有关的区段内所有杆件波浪力之和;(3)斜杆的波浪力按流向的投影长度计算,作用在与杆件平行方向的波浪力忽略不计;(4)各力相对于水平质点引起的净距,可以忽略不计。

根据以上假定,应用莫里森方程收稿日期:2007-07-05基金项目:中石化/深水油田开发关键技术预研0科技攻关项目(合同号JP05008)作者简介:杨江辉(1981O ),男,硕士生,从事工程结构研究。

可得到作用于某个质点上的波浪力:F i (t)=E j Q (C M -1)P D 2ij 4L ij (¤u ij -&x i )+Q P D 2ij 4L ij ¤u ij +0.5E jC D D ij L ij |u ij -¤x i | 这里假定C D ,C M 值对所有杆都相同,它们分别是拖曳力系数和惯性力系数;D ij 是杆的外直径,L ij 是半杆的投影长度,下标i,j 代表与第i 自由度相连j 根杆;Q 是海水密度,u 、¤u 分别为水质点速度、加速度;x 、¤x 、&x 分别为结构的位移、速度、加速度。

3 有限元分析平台总体结构的有限元分析,是将整个平台结构离散为功能与原结构相当的有限元模型,按照实际结构情况划分节点和单元,然后把全部载荷等效为节点载荷作用在节点上,而节点由单元的刚度支持,进而计算节点的位移和应力,最后算出单元应力而得到平台整体结构的应力状况和整体变形,本文以180m水深某导图2 线性分布流管架平台为例,建立了深水导管架的有限元模型。

3.1 平台模型和环境参数平台水深180m,采用八腿柱导管架,节点采用k 型和x 型结构布置。

平台总共分七层,该导管架平台的结构如图1所示,采用对称布置。

控制环境参数如下:设计水深:180m(理论深度基准面)。

设计波高:百年一遇最大波高:H max =30m,T =14s百年一遇有效波高:H13=1.6 H =18.07m ,T =11s 一年一遇最大波高:H max =15.29m,T =9.9s 一年一遇有效波高:H13=1.6 H =13.11m ,T =9s 设计流速: 百年一遇表面流速:V c =3m /s 百年一遇海底流速:V c =1.1m /s 一年一遇表面流速:V c =1.60m/s 一年一遇海底流速:V c =0.62m/s 假设随着水深增加流速线性递减(见图2)。

设计风速:40m /s 3.2 材料属性和边界条件表1 材料属性应力/P a 塑性应变2.99e80.00003.01e80.00013.52e80.02503.75e80.10003.94e80.20004.00e80.3500 导管架所用钢的材料属性:弹性阶段:K =0.3,弹性模量E =2@1011Pa,塑性阶段,应力应变关系如表1所示。

为了简化计算,在确定平台的边界条件时将桩腿的下部模拟为刚性固定端。

即U x =U y =U z =H x =H y =H z =0。

3.3 求解控制在ABAQU S 中由各点坐标生成有限元结构模型,整个平台主体结构为空间梁组合结构,甲板采用壳单元S4R,导管架部分采用空间梁单元B31,离散的八桩导管架有限元模型中节点总数为2786个,单元总数为2978个。

平台的结构模型采用类型是腿柱在泥面以下6倍桩径处为固定端。

ABAQU S 采用能量原理的有限离散单元法,逐渐施加载荷,控制截面的应力/应变,满足使用者给定的材料本构关系,得到结构的力与变形的平衡。

瞬态响应分析时,总共使用了4个分析步骤,在第一个静态一般分析步骤中施加重力,是通过对海洋平台整体施加加速度来实现,在z 向加重力加速度-9.81m /s 2;在第二个静态一般分析步骤中施加甲板上模块载荷,以集中力形式实现;第三个为特征频率和振型提取的线性摄动步骤,用以提取各阶模态的频率和振型;第四个是隐式动态分析步骤,通过在ABAQUS/AQ UA 中编写程序实现施加波浪载荷、海流作用。

本文重点关心的是隐式动态分析步骤,由于结构是非线性的,因此使用非对称求解器,即用小的初始增量,以保证求解均匀、收敛,加大求解总时间以便观察响应各量的周期或非周期性的规律变化。

由于平台各个腿柱、横杆、斜撑的管径、壁厚不同,因此程序需要分多步进行编写,以确保完整和准确。

4计算结果在导管架结构设计中,百年一遇的风浪作为生存条件,以一年一遇的风浪作为操作条件,在风、浪和海流组合作用中考虑最大值不同时出现的关系。

本文研究的目标是平台应力变化以及振动情况,因此考虑比较恶劣的海况条件。

分别计算了生存条件的强度(图3所示)和操作条件的振动情况(见图4~图14)。

图3平台M ises应力图4平台x方向位移分布图5平台y方向位移分布从图3知,导管架平台在百年一遇极限工况下应力峰值出现在下部斜撑处(如图中箭头所示),其值为155.8Mpa,小于钢材的许用应力。

故平台强度安全。

在平台的局部区域出现应力集中,长时间的反复波流冲刷会引起这些区域首先疲劳,进而可能出现断裂。

从图4可以看出平台在x方向有明显的整体振动现象,在x型斜撑处有最大位移0.1520m,在这种工况下虽然平台未发生坡坏,但是整体振动对平台甲板设备影响很大,应采取减振措施。

图5中显示平台在y方向迎波浪入射方向出现振动,由于其值不大,故而影响不显著。

由ABAQU S的时间历程后处理可得到上层平台四个角点(节点17,19,2,20)在载荷作用下的时间位移、速度、能量曲线(图6~图14)。

从图6~图8可以看出,上层甲板四个角点在x方向有最大位移0.12m(是四个角点中的最大位移值而非整个导管架平台的最大位移值),沿x,y,z个方向的位移响应曲线随时间的变化规律表现为近似周期性的振荡运动。

x,y方向响应曲线表现为弱非线性,z方向位移响应曲线表现为强非线性。

这是由于存在非线性耦合的影响。

从图9~图11可以看出上层甲板四个角点有x方向的最大速度为0.18m/s,沿x,y,z方向的速度随时间变化的响应曲线表现为非周期性衰减振荡运动,三曲线都表现为强非线性。

x方向的速度值远大于y,z方向的速度值,振动主要表现为x方向的衰减振动,刚开始振动很剧烈,但是随时间的增加振动明显衰减。

图12~图14为平台甲板四个角点的能量变化曲线,应变能和内能呈周期性振荡。

这也体现出了平台整体能量守恒的原理。

动能变化曲线表现为非周期性无规则衰减振荡运动,这是由于平台的速度呈非周期性衰减振动而造成的。

平台结构在风浪稍大时存在明显振动,并且振动的加速度过大,这将会给作业人员带来明显的不适感。

图6四角点x方向位移响应曲线图7四角点y方向位移响应曲线图8四角点z方向位移响应曲线图9四角点x方向速度响应曲线图10四角点y方向速度响应曲线图11四角点z方向速度响应曲线图12平台整体应变能变化曲图13平台整体内能变化曲线图14平台整体动能变化曲线5结束语通常条件下导管架平台适应水深小于300m,对较大水深导管架平台做数值模拟时,由于平台结构庞大复杂,建模和求解计算比较困难。

但ABAQU S/AQUA提供了较为完整的求解方法,其迭代算法可以方便快速对复杂矩阵进行处理。

这种方法能够推广到各种类型的平台上去,也可以用来研究海况变化下导管架平台的动力响应规律,从而反过来指导平台的设计,这种反馈效应在工程设计中是非常有价值的。

另外,深水导管架平台与浅水有着明显的区别,深水导管架平台的整体刚度变小,自振频率降低,有可能落入波浪频率范围而引发共振,对波浪的激振较为敏感,因此建议增加减振或隔振措施,以便于操作工人正常作业。

参考文献[1]陆文发,李林普,高明道.近海导管架平台[M].北京:中国海洋出版社,1992.[2]石亦平,周玉蓉.A BA Q U S有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社2006.[3]庄茁,张帆等.A BA Q U S非线性有限元分析与实例[M].北京:科学出版社,2004.[4](美)J.F.威尔逊.海洋结构动力学[M].石油工业出版社,1984.[5]竺艳蓉著.海洋工程波浪力学[M].天津大学出版社1991.[6]深水油田开发关键技术预研[R].中国石化集团胜利石油管理局.[7]欧进萍,段忠东,肖仪清等著海洋平台结构安全评定-理论方法与应用[M]北京科学出版社2003.[8]董艳秋.深海采油平台波浪载荷及响应[M].天津大学出版社2005.[9]陆建辉.随机波浪激励下海洋平台振动控制技术研究[D].2004.6.THE DYNAMIC ANALYS IS OF DEEP WATER JACKETPLATFORM BASED ON ABAQUS/AQUAYAN G Jian ghu i1,ZH AN G Hon g2,LIU Jin kun3,H E Feng4(China U niversity of Petro leum(Beijing),Beijing,102249,China)Abstract:Based o n ABAQUS/AQU A,this paper analy ses the variety of stresses and the pr ocess of the vibr ation response by imitating the deep w ater Jacket platform under the effect o f rando m w ave,w hich tak-ing account o f the influence of the dr ag e stress by current and the inertia force by added m ass.Through a large number of calculations,it obtains some r eg ulation curves w hich help to analyse the dy namic response of deep sea Jackets.Key words:platform;coupling;dy namic analy sis;ABAQUS/AQU A(上接第28页)FEM ANALYSIS FOR ICE O INDUCE VIBRATIONOF JZ20O2NW PLATFORMWU Wenhu a1,YU Baijie1,YU E Qianjin1,CHE N lian g2(1.Dalian University of T echno logy.Dalian116085,2.M aisonWor ley Parso ns engineering company,Beijing100027,China)Abstract:T he dynamic fracture pro cess of sea ice interacting w ith JZ20O2NW platform is perform ed on the basis of finite element softw are)LS O DYNA.T he crack propagated processes w hich obtained in numer-ical results of sea ice are sim ilar w ith that o f obtained in situ observ ation.The break O length of sea ice and the triangle shaped ice fo rce temporal cur ve can be determined from the simulated results.T he peak fo rce of sea ice in numerical results is co nsistent w ith static ice force form ulation(H irayama O Obara).T he dis-placements and acceleratio ns in platform are also g iv en in the paper.Key words:JZ20O2NW platform,crack propagatio n,ice force,ice induced vibration,finite element simu-lation.。