基于ANSYS固定式平台的瞬态响应分析

1、江苏科技大学2010届毕业设计（论文）基于ANSYS固定式平台的瞬态响应分析系部：专业名称：船舶与海洋工程班级：学号：作者：指导教师：二零一零年六月江苏科技大学本科毕业论文基于ANSY限定式平台的瞬态响应分析ThetransientvibrationanalysisoffixedplatformbasedonANSYS江苏科技大学毕业论文（设计）任务书系部：一专业：船舶与海洋工程学号：姓名：指导教师：职称：2020年3月10日毕业设计（论文）题目：基于ANSYS勺固定式平台瞬态分析.课程性质（请在相应的选项上打勾）口纵向课题口已签约的横向课题口未签约的横向课题口实验室建设课题口模拟性课题口学生

2、自选人文课题.课题类型（请在相应的选项上打勾）口工程设计（实践）口理论研究口实验研究口计算机软件设计口综合一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1提供条件：海洋平台基本结构、参数，海域波浪参数，计算机及计算软件等2设计内容与要求：（1）掌握有限元的基本方法及结构振动的相关理论（2）学习有限元软件ANSYS并掌握其静力、动力分析方法（3）利用ANSY歆件建立固定式海洋平台模型，并对所建模型的进行动力计算（4）对固定式平台结构的模态进行分析，对结构在冲击载荷作用下的瞬态响应及其谐响应进行分析、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）.毕业设计论文一份（

3、不少于万字）；.外文译文一篇（不少于5000英文单词）；.动力分析有限元模型及结果文件。三、完成日期及进度自2010年4月12日起至2010年6月11日止进度安排：4.12-4.25收集相关资料学习有限元理论，掌握有限元的基本方法，学习结构振动的相关理论4.26-5.9学习有限元软件ANSYS并掌握其静力、动力分析方法5.10-5.16利用ANSY歆件建立固定式海洋平台模型5.17-5.30对所建模型的进行动力计算5.31-6.11对固定式平台结构的模态进行分析，对结构在冲击载荷作用下的瞬态响应及其谐响应进行分析，完成论文四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）：.李治彬.海洋工程结构M.

4、哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1999.曾攀.有限元基础教程M.北京：高等教育出版社，2009.唐友刚.海洋工程结构动力学M.天津：天津大学出版社2008.尚晓江，邱峰，赵海峰等.ANSYS吉构有限元高级分析方法与范例应用M.北京：中国水利水电出版社，2008.张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析M.北京：机械工业出版社，2008系（教研室）主任：一（签章）年月日学院主管（系）领导：（签章）年月日摘要随着社会经济的进展，人们对能源的需求不断扩大，海洋石油资源慢慢成为新的能源增加点。海洋石油平台作为实现海上能源开发的最有效工具之一，寻求其结构的平安适用性和最正确经济效益，一直是设计

5、、利用、检测和保护中专门关注的问题。作为海洋油气资源开发的基础性设施，海洋平台的平安特性愈来愈受到人们的重视。本文以某导管架势固定平台为研究对象，基于大型有限元分析软件ANSYS件平台，别离采纳ANSYS静力分析、模态分析和瞬态分析功能，研究了平台在风载、波浪力作用下的受力特点，取得了平台的模态振动规律，取得了平台在不同碰撞下的力学特性和位移响应情形。分析结果显示，该平台具有较好的抗风、抗波浪力能力，但应幸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。关键词：海洋平台；受力分析；ANSY软件；振动；冲击载荷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目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 第一章绪论1 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 课题的研究背景和意义1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 研究背景1 HYPERLINK l

10、 bookmark28 o Current Document 课题的意义2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 国内外研究动态3 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 导管架平台的组成及进展概况3 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 海洋平台振动分析3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 论文的要紧工作8 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 第二章结构分析的大

11、体理论与分析软件介绍8 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 有限元技术的进展9 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 有限元法的诞生及进展9 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 现今国际有限元法的进展趋势11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 有限元法的大体理论12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 有限元法的大体思想12 HYPERLINK l book

12、mark52 o Current Document 有限元法的特点13 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 有限元法的计算思路14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document ANSYS软件介绍16 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document ANSYS软件的进展16 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document ANSYS的特点17ANSYS的分析流程18 HYPERLINK l bookmark64 o Current Doc

13、ument 第三章海洋平台载荷分析22 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 载荷分类与载荷概念22利用荷载22 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 3.1.2环境载荷23 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 波浪载荷25 HYPERLINK l bookmark76 o Current Document 作用于孤立桩柱上的波浪力计算25 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 3.3.2水下水平构件的波浪力3

14、0 HYPERLINK l bookmark82 o Current Document 第四章平台结构动力反映分析34 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 单自由度的动力反映35 HYPERLINK l bookmark86 o Current Document 成立运动方程35 HYPERLINK l bookmark80 o Current Document 自由振动反映36 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 谐振荷载反映38周期性荷载作用下的反映42多自由度系统动力反映43质点系运动方程的成

15、立43振型与频率计算46结构的物理特性46振动频率分析47阵型分析48第五章海洋石油平台结构的动力分析49平台结构的模型成立49结构建模的整体计划49几何模型的成立51划分网格53海洋平台结构的模态分析53计算模态解53观看结构模型的各阶模态振型55海洋平台谐响应分析60谐响应分析应用60ANSYS的三种求解方式60对模型进行谐响应分析60冲击载荷作用下海洋平台的结构响应63瞬态动力学分析63冲击载荷作用下海洋平台的结构响应63结论66致谢67参考文献68第一章绪论课题的研究背景和意义研究背景随着社会的进展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求愈来愈大。当陆上油气资源经太长时期大规模的开发以后

16、，世界范围的油气勘探与开发转向了资源丰硕的占地球表谣71左右的辽阔的海洋，并慢慢形成了投资高、风险大而且高新技术密集的能源工业新领域。海洋石油开发是海洋资源开发利用的一部份。目前世界上已有39个国家（或地域）从事近海石油开发，22个国家（或地域）从事近海天然气开发。迄今为止，世界上约有430个海上油田，年产油量约占世界原油总产量的25。我国海域辽阔，其中大陆架面积约有110万平方千米，渤海，黄海，东海和南海都有大面积的沉积盆地，其中具有油气勘探价值的面积在60万平方千米以上，即一半以上的海域有宝贵的石油。预测的石油储量达250亿吨，这是我国海上石油天然气开发的丰硕资源基础。而我国海洋石油勘探开

17、发的历程起始于1957年，从1957至1979年是我国海上石油开采的探讨时期，22年共开采原油96万吨；从1979年海上石油开发实行对外开放以来，我国的海上石油开发进入高速进展期，到2000年生产能力已达到2000万吨；估量到2005年，我国的海上原油生产能力会达到4000万吨。目前海洋石油己成为我国重要的原油生产基地。海洋平台，作为钻井采油和生活供给等多种用途的大型复杂结构，其技术进展和供求转变直接取决于海洋石油开发的进展。到目前为止，世界各国所拥有的各类平台近一万座，其中除极少数钢筋混凝土平台之外。大多数都是钢结构固定式平台。海洋平台结构复杂，专门是与陆地结构相较，它所处的海洋环境十分恶劣

18、，海风、海浪、海冰和潮汐不时作用于结构。同时还受到地震作用的要挟，在此环境条件下，环境侵蚀和海生物附着等不利因素都将致使平台结构构件和整体抗力衰减，阻碍结构的平安性和耐久性。历史上曾有过量次海洋平台事故，造成了重大的经济损失和不良的社会阻碍。例如，1965年英国北海的海上钻石号钻井平台支柱拉杆脆性断裂，平台沉没致使123人死亡；1969年，我国渤海2号平台被海冰推倒，造成直接经济损失2000多万元。这些惨重的教训给海洋资源开发以专门大的警示，同时也促使国内外海洋石油部门加倍尽力并投入巨资研究海洋平台的关键科学阎题，使海洋平台结构的设计保护和平安提高到一个新的水平，从而为海洋油气资源的平安开采提

19、供靠得住的保证。海上固定式平台通过几十年的进展，已经达到了很高的水平。固定式平台安装水深不断增加，新型结构平台大量涌现，单一平台具有多种功能。可是固定式平台研究还有很多课题有待解决，第一是平台结构型式的选择，包括各类固定平台的经济水深；适于不同海洋环境条件的平台型式。第二是平台动力反映分析，包括结构流体与基础彼此作用；柔性支撑平台的支撑结构非线性动力反映分析：结构在地震作用下危险性分析及平安度。第三是管结点疲劳破坏研究，包括海上固定式平台在随机荷载作用下，结点的疲劳破坏机理研究；成立S-N曲线；热点的应力集中系数研究；疲劳分析方式的研究。最后是靠得住性工程在平台设计上的应用，包括平台结构中存在

20、的各类可能失效形式；荷载概率模型成立和荷载效应统计分析方式；失误和事故引发的平台失效概率统计分析；结构系统的靠得住性分析方式等。课题的意义海洋平台是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地，其平安性能是确保海上油气生产和作业人员人身平安的重要保障。但由于海洋平台在恶劣的环境下工作，受到地震、波浪、风力、冰载及平台上的机械和设备各类载荷的作用，会引发强烈的振动。有害的振动会阻碍人体的健康，使仪器小能正常的利用，严峻的还会致使平台的损坏。如海洋平台的冰激振动曾造成过重大损失。例如W12-I海洋平台是一座钢质导管梨式采油平行，座落于南中国海海域，是中海石油（中国）湛江分公司经营的现代

21、化海上油田。该平台投资2亿美元，由国外知名公司发计制造，1999年投产，年产值超过20亿元人民币。平台在生产进程中显现了振动过人的现象，致使整个平台严峻哆嗦，直接阻碍甲台上的正常上产和生活。因此，长期以来人们采纳多种手腕来分析研究各类载荷对海洋平台的阻碍情形，试图从全然上解决其平安问题。但海洋平台结构复杂、体积庞大，传统的分析方式由于计算进程繁杂、计算量大等缘故难以对平台整体的平安状况及各局部结构的受力状态给予准确计算。本文借助于大型CAEt彳ANSYS勺壮大功能，以国内某一周定式海洋平台为研究对象，通过成立适当的平台有限元模型，分析平台在海洋波浪力下的受力状况，同时针对各类振动载荷对海洋平台

22、的阻碍，进行平台的瞬态分析，从而为海洋平台的给出较为全面的平台平安状况评判。国内外研究动态导管架平台的组成及进展概况导管架平台要紧由两大部份组成1。一部份是由导管架和钢管桩组成，用来支承上部设施与设备的基础结构，通常称为支承结构；一部份是由甲板及其上的设各组成，做为搜集和处置油气、生活及其他用途的场所，统称为上部设施与设备。导管架是由腿柱和连接腿柱的纵横杆系所组成的空间构架。腿柱是中空的，钢管桩通过腿柱打入海床，以便固定导管架；纵向与横向联系称为支撑，用于传递水平荷载，保证结构在旌工和安装中整体稳固。腿柱和桩一起作用组成了导管架平台的支承结构。位于桩顶以上，由板、梁或立柱等组成的支撑框架结构穗

23、为甲板结构。在海洋开发中，普遍采纳导管架平台是由于导管架平台具有如下特点：(1)平台的支承结构是以圆钢管为要紧构件的钢结构，因此结构受力状态较好。(2)由于桩是通过导管架腿柱打入海床，因此在恶劣的海洋环境中，桩打的准、打的直。(3)打桩作业大大简化，保证平台结构的整体稳固性。(4)平台能够在陆上分块预制，海上组装，保证施工质量，节约投资。(5)导管架平台设计、制造及安装技术成熟，实践体会多，适用性强。1947年在美国成功安装了世界上第一座设备齐全的钢质导管架平台，开辟了海洋开发的新时期。我国第一座导管架平台是1966年12月底成功安装在渤海湾水深6米处的油田上。它做为我国自行设计和建造的首座海

24、上钻井装置载入我国海洋油气开发史册。我国目前已建成利用的海洋平台有30余座，平台结构型式主若是钢质导管架平台。目前，我国在海洋平台的设计施工和理论研究等方面都取得了专门大成绩，可是和世界先进国家相较还有专门大差距，这就要求工程技术人员及科研工作者不断尽力，为我国的油气事业做出更大的奉献。1.2.2海洋平台振动分析随着海洋石油工业的进展，通常要在比较恶劣的海域建造各类平台，以适应海上钻井采油作业的需要。而这些平台设计，波浪力往往是设计操纵荷载。在以往的设计中，一样都把随机的海浪作为规那么波来处置，以此求出作用在平台结构上的最大外力，然后依照静力的方式来计算结构构件的应力，来评判结构的平安度。实践

25、证明，波高最大的波并非一定引发平台内最大应力的波，而那些频率与平台结构自振频率接近、波高较小的波在接近共振点时，那么结构变形增大，现在结构可能处于危险状态。这说明，对平台结构设计而言，仅仅考虑静力效应是不充分的，而须考虑动力作用对结构的阻碍，进行动力响应分析。海洋平台在海洋波浪、海流、风和地震等作用下，将产生惯性力和拖曳力复杂的彼此作用，引发海洋平台的动力响应。随着海水深度的增加，平台的相对柔性也慢慢增加，与其振动相关的自然频率也愈来愈低。当这些低频成份趋近于海洋波浪的频带宽时，将发生庞大的能量集中，从而引发海洋平台响应的严峻后果。因此，研究平台的振动或动力响应变得超级重要。除作用于平台的环境

26、载荷外，上述载荷显然不是确信的、而是随机的。因此，需要能反映深水海洋平台结构的动力和随机特性的分析和设计方式。王均刚2对海洋平台在随机波浪载荷和地震载荷作用下的振动进行研究，并研究了ETMD勺振动操纵成效，说明了ETMIM振系统能有效的操纵海洋平台的振动。ANaessaf3等用蒙特卡罗法估量受严酷的气候条件下，深海平台呈现出的动态行为的极端反映，并将该方式应用在挪威的Kvitebjorn平台结构。暴风雨，飓风和地震，可能造成海底不稳固。尤其是在海底比较薄弱的地域，这些因素将对海洋平台造成更大的破坏，YasserE4等研究了海底不稳固对平台的阻碍。海洋平台结构在波浪等环境荷载作用下的动力响应存在

27、较为复杂的计算问题，对海洋平台结构的随机响应分析采纳考虑结构与波浪相对运动的复模态理论进行分析，将使海洋平台结构的响应分析更为精准和合理。周焕廷等5研究了海洋平台在随机波浪动力作用下的动力响应问题，运用复模态理论对运动方程中的非经典阻尼进行了解耦，取得了结构的数值解，与传统近似对角化方式结果相较具有精度高、计算速度快的特点。对平台的动力分析计算，即是要求解平台结构动力响应的运动方程，可是在平台设计的初始时期，往往无法明白详细的结构刚度和质量散布的细节，也就无法进行平台的详细结构动力计算，张假设瑜等6针对导管架平台的初始设计时期，提出了振动响应的简化计算方式。考虑主导管结构和支撑结构，将平台处置

28、为底部固定的自由散布柔性体系，假定平台的质量和刚度沿高度线性散布。考虑导管架的一阶模态振动，采纳模态分析方式，成立了导管架的广义振动方程，确信其等效质量、等效刚度和等效阻尼。随着有限元技术的进展，能够帮忙人们高速、高效、高精度的对平台进行的振动研究。YasserE等7用p-y、t-z、q-z动态特性曲线模拟桩土的彼此作用，对海上固定平台进行动力响应分析。王世圣等网成立了JZ20-2MUQF台的有限元模型，采纳动力有限元方式对其进行有限元计算，研究平台的结构因素对平台动力特性的阻碍。各类海洋平台结构，专门是大型建筑物如张力腿平台，通常由混凝土桩作为基础单元。在设计一个平台桩的进程中，应力散布通常

29、作为一个大的主导因素。在轴向和横向波浪载荷下，为了更准确和更有效地设计平台桩，JAEicherfll9等在混凝土桩的相似载荷下，应用有限元模型确信应力和位移。研究参数说明，应力散布受不断转变的负荷阻碍。平台的局部振动，会造成平台的破坏和平台上的设备不能正常工作。由于海洋平台在工作期间要紧经受波浪、流、风、冰及地震等各类不同的荷载及它们引发的联合随机荷载作用。因此，人们对平台的振动分析，便集中在这些载荷上。波浪载荷作用下的振动分析波浪载荷是平台强度分析、结构设计与平安评估中一个超级重要的载荷之一，随着平台设计向深海区域进展，波浪对海洋平台的动力作用越发显著10，正确计算波浪载荷对结构平安性具有重

30、要意义。海洋平台工作水深不同，结构受到的波浪载荷也不同，应选用不同的波浪理论进行计算。波浪理论的种类繁多，但在工程实际应用中，适用于不同水深范围的波浪理论有微幅波理论、斯托克斯五阶波理论、椭圆余弦波理论、孤立波理论。在工程计算中应依照具体情形选择适合的波浪理论。郑雪坤等11研究导管架海洋平台的要紧种类和结构，选取不同的波浪理论来计算结构的波浪力，提出了导管架平台结构分析模型化的概念。海洋平台长期作业于复杂海况当中，海洋环境条件设计标准的选取成为决定平台平安、结构型式和工程造价的关键因素之一。面对诸多自然因素的作用，我国现有海洋工程设计标准采纳的标准没能考虑多种环境因素联合显现的概率，往往过高估

31、量环境设计条件，造成投资本钱的增加，乃至使得部份边际油田难以开采。20世纪80年代以来，海洋工程界慢慢认可了基金联合概率的设计标准。例如，被国际标准化组织认可的标准APIRP2A-LRFD（1995，）在概念极端条件风速、波高和海流荷载时，给出以下三种概念12：一、重现期为一百年的波高及“相应的”风速和海流；二、风速、波高和流速的任何“合理”组合，其结果取得百年一遇的组合平台响应，如基底剪力或倾覆力矩；三、将百年一遇的风速、百年一遇的流速和百年一遇的波高进行组合。其中，概念3是推算环境要素设计标准的传统方式，即单因素设计法，它往往过于保守；概念l中的“相应”一词的意义较模糊；概念2中“任何合理

32、组合”使得不同的设计者有不同明白得，可能取得完全不同的结果。但是API对前2种概念并未给出具体做法。事实上，概念1和2都是基于联合概率的方式，而多维非正态、相关变量的联合概率模型的构造和求解，一直是人们不断研究的热点问题之一13。目前，这方面的功效可归纳为以下三类：一、随机模拟法。基于重点抽样法，Liu14对风、浪、流作用下的海洋平台设计荷载标准进行了计算。二、结构响应法。由于重点抽样法存在非单一解的困难，有人转而统计某种结构响应，如风、浪、流联合作用的倾覆力矩，从而确信连年一遇的环境条件设计标准。三、多元极值理论。Yue15等将二冈贝尔散布用于水文中的概率分析；Liu16等提出了二维泊松混合

33、冈贝尔散布并用于嵊泗海区台风海浪的计算。董胜等17提出了联合概率法设计标准，比较了多种标准所得设计参数的不同，给出了适合工程所在海区的环境荷载参数。TorgeirMoana等18研究了海洋平台在二阶非线性随机波下的结构响应，说明用频域分析法要优于时域分析法，而且发觉非线性的波动在深海处将引发更大的波浪力和结构的响应。M.Luo19等研究了海洋平台在波浪作用下的响应，并分析得出非线性随机最优操纵器与LQCS纵器相较具有更好的操纵成效和效率。B、地震载荷作用下的振动分析我国地处世界上两个最活跃的地震带，是多地震发生的国家之一。在我国多地震发生的海域修建平台必需进行抗震设计，地震对平台的破坏与地震烈

34、度和本地土壤等因素有关。地震属于偶然作用，偶然作用效应要紧指地震效应加上其他作用效应，到目前为止，国内外标准均以为其他作用效应较地震效应小很多，偶然作用效应的组合按一样抗震标准规定执行。地震作用不同于一样动力载荷，是一种随机过程，不管在时刻、空间和强度上都具有很强的模糊性和随机性。结构内所受到的地震作用是由地面运动引发的，这些作用的大小取决于结构的质量和刚度，和结构的基础。关于平台地震响应的要求，有强度要求和延性要求两个方面。强度要求确实是要保证平台结构在利用期内，在不超过预期的地震载荷作用下，平台或其基础不发生严峻破坏。地震标准的选择受海洋环境条件的阻碍，本地震与海洋环境条件都十分恶劣时，彼

35、此作用的阻碍就超级显著。成功浅海油田的水深较浅（30m之内），但波浪、流、潮等环境条件恶劣，海底土壤条件复杂，又处于地震活跃带，因此在设计上通常选取8级烈度地震作为地震操纵载荷。延性要求是确保平台具有充分吸收能量的能力，幸免在平台所处的海域发生概率极小的偶然强烈地震时，平台发生倒塌破坏。梁永超等20探讨了对浅海固定平台导管架结构的地震响应的要求及其分析方式。现实中地震发生时平台会同时受到地震和波浪载荷的联合作用，因此有必要研究海洋平台在地震与波浪联合作用下的动力特性。何晓宇等21针对地震与波浪联合作用下空间导管架势海洋夕平台结构的动力响应特性进行研究。LiHN22等计算三种地震设防烈度（7度、

36、8度和9度）下平台结构的地震响应。C、冰载荷作用下的振动分析在渤海油气开发中，海冰是阻碍冰区结构设计、钻采施工、生产作业的重要季节性海洋环境条件。在海冰作用下，海洋结构的猛烈振动直接要挟到生产设备的平安运行，同时也阻碍到现场工作人员的正常生活。因此，对冰激结构响应进行预测，进而对危险冰情进行预警，以便采取及时有效的抗冰、防冰方法是保障冰区油气开发的重要内容。冰激平台结构振动与海冰的类型、厚度、冰速、冰向、海冰强度、冰载荷的形式与大小等因素紧密相关。岳前进等23对冰激平台结构响应进行计算分析。并对辽东湾JZ20.2油气田的MUQF台为伤对1999-2000年冬季的冰激结构振动响应进行预测，其结果

37、与实测情形较为吻合。正压冲固基础海洋平台是一种新型平台桩基结构形式，陈荣等24采纳三维有限元的数值分析方式，成立正压冲固平台的三维有限元模型，进行动冰载荷作用于正压冲固平台的动力响应分析。冰载荷激振力输入与结构地震力输入有明显的类似的地方，均为随机进程。但它们作用的方式不同，地震作用是从结构物基底传来的，它不是直接作用在结构上的荷载；而冰载荷那么是施加在结构外表上的荷载。YUEQ等研究了渤海辽东湾JZ20-2油田的MSW2台上冰引发结构的稳念振动现象。岳前进26对渤海辽东湾JZ20-2油田的MSW2台实测数据和冰与结构彼此作用的破碎机理分析，证明冰致稳态振动属于自激振动。D模态分析模态分析用于

38、确信结构物的模态参数（振型、固有频率和阻尼比）。关于结构物而言模态参数是结构的“指纹”，它是一系列独特的数据，每一个结构都有其固有的模态参数，若是结构转变了，那么结构的“指纹”将会转变。显而易见，模态参数的研究是超级重要的。杨和振等27将特点系统实现法（ERA）与CBSI算法相结合识别海洋平台结构的模态参数（固有频率、阻尼比、振型），所识别出的海洋平台模态参数与有限元ANSY分析所得的结果相较较，说明运用所提出的方式进行模态参数识别是有效的。赵东等28应用有限元分析软件，成立了W12.1上紧缩机局部安装平台的有限元模型，利用此有限元模型进行振动模态分析，结果说明，平台结构的不合理所造成的平台局

39、部刚度不足引发平台模态振动畸变，是引发平台振动过大的要紧缘故。1.3论文的要紧工作本文基于大型有限元分析软件ANSY歆件平台，别离采纳ANSYS勺模态分析和瞬态分析功能，研究了平台在风载、波浪力作用下的受力特点，对海洋平台模型进行分析，要紧研究内容如下：第一章要紧介绍了课题的研究背景和意义、国内外研究动态及本文的要紧工作。第二章要紧介绍了有限元技术的进展、有限元法的大体理论及ANSYSC件介绍。第三章介绍了载荷分类与载荷概念、波浪载荷及水下水平构件的波浪力。第四章要紧介绍了平台结构动力反映分析，单自由度的动力反映及多自由度系统动力反映。第五章成立了平台结构的有限元模型，对海洋平台结构的模态、海

40、洋平台谐响应分析及冲击载荷作用下海洋平台的结构响应进行了分析。第二章结构分析的大体理论与分析软件介绍随着现代科学技术的进展，人们正在不断建造更为快捷的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为周密的机械设备。这一切都要求工程师在设计时期就能够精准地预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度和温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析高楼大厦和大跨度桥梁在地震时所受的阻碍，确认是不是会发生破坏性事故分析计算核反映堆的温度场，确信传热和冷却系统是不是合理;分析叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率等。现在传统的解决方式往往不可行，需要寻求新的计

41、算方式，为此一大量国内外科技工作者致力于这方面的研究。最近几年来，在运算机技术和数值分析方式支持下进展起来的有限元分析(FEA，FiniteElementAnalysis)方式那么为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。有限元技术的进展有限元法的诞生及进展大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。尽管，积分运算与有限元技术对概念域的划分是不同的，前者进行无穷划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术预备好了一个理论基础。在牛顿以后约一百年，闻名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。这两项功效的前者被用来将微分方程改写为积分表

42、达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。在18世纪，另一名数学家拉格郎日提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途经。在19世纪末及20世纪初，数学家瑞雷和里兹第一提出可对全概念域运用展开函数来表达其上的未知函数。1915年，数学家伽辽金提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方式被普遍地用于有限元。1943年，数学家库朗德第一次提出了可在概念域内分片地利用展开函数来表达其上的未知函数。这事实上确实是有限元的做法。因此，到这时为止，实现有限元技术的第二个理论基础也已确立。20世纪50年代，飞机设计师们发觉无法用传统的力学方式分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技

43、术小组，第一将持续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，通过一番曲折后取得前述的两个离散的成功。20世纪50年代，大型电子运算机投入了解算大型代数方程组的工作，这为实现有限元技术预备好了物质条件。1960年前后，美国的R.W.Clough教授及我国的冯康教授别离独立地在论文中提出了“有限单元”，如此的名词。尔后，如此的叫法被大伙儿同意，有限元技术从此正式诞生，并专门快盛行世界。试函数工程有限差分法变分方法加权魇值法Richardson 1910Rayleigh 1870Ritz 1909Gauss 1795Galerkin 1915Liebman 1918Southwelll946Hr

44、enikoff 1941Biezena-kcch 1923McHenry 1943Newmark 1949A连续试函数Courant 1943A |直接离散的单元Argyrit 1955Turner et al 19 56Prager-Synge 1947Zienkiewicz 1964可变的有限整分方法 Varga 1962当今的有限元方法图2T有限元方法的发展过程随着运算机技术的普及和计算速度的不断提高，及各类有限元软件的运用，有限元在工程设计和分析中取得了普遍应用，理论与算法也日趋完善，已经成为解决复杂的工程分析计算必不可少的工具。我国闻名力学家，教育家徐芝纶院士（河海大学教授）第一次将

45、有限元法引入我国。他于1974年编著出版了我国第一部关于有限元法的专著弹性力学问题的有限单元法。从此开辟了我国有限元应用及进展的历史。有限元进展至今，其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平稳问题扩展到稳固问题、动力问题和波动问题。分析的对象已从分析和校核进展到优化设计并和CADfc术相结合。目前流行的CA劭析软件要紧有NASTRANADINAANSYSABAQUSMARCCOSMOS。纵观现今国际上CA浜件的进展情形，能够看出有限元分析方式的一些进展趋势，其中最为重要的是与CADa件的无缝集成。COSMOSSolidWorksSimulation）无疑走在了各CAES件的

46、前头，与SolidWorks真正意义上的无缝集成，极大的提高了产品的优越性与有效性。同时它的易学易用性及对各类工程问题的处置也使它备受企业工程师的青睐。现今国际有限元法的进展趋势1）从单纯的结构力学计算进展到求解许多物理场问题有限元分析方式最先是从结构化矩阵分析进展而来，慢慢推行到板、壳和实体等持续体固体力学分析，实践证明这是一种超级有效的数值分析方式。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精准值。因此最近几年来有限元方式已进展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又进展到求解几个交叉学科的问题。例如当气流流过一个很高的铁塔

47、时就会使铁塔产生变形，而塔的变形又反过来阻碍到气流的流动等，这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的进展，线性理论已经远远不能知足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的显现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各类新材料的显现，仅靠线性计算理论就不足以解决碰到的问题，只有采纳非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技术

48、，很难为一样工程技术人员所把握。为此最近几年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARCABQUS口ADINA等专擅长求解非线性问题的有限元分析软件，并普遍应用于工程实践。这些软件的一起特点是具有高效的非线性求解器和丰硕和有效的非线性材料库。2.2有限元法的大体理论有限元法的大体思想有限元法(FEA，FiniteElementAnalysis)的大体思想是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个适合的(较简单的)近似解，然后推导求解那个域总的知足条件(如结构的平稳条件)，从而取得问题的解。那个解不是准确解，而是近似解，因

49、为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以取得准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各类复杂形状，因此成为行之有效的工程分析手腕。有限元是那些集合在一路能够表示实际持续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并取得了应用，例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方式而被提出，那么是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方式，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、有效性和有效性而引发从事力学研究的科学家的浓厚爱好。通太短短数十年的尽力，随着运算机技术的快速进展和普及，有限元方式迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰硕多

50、彩、应用普遍而且有效高效的数值分析方式。有限元法与传统的力学方式有专门大不同，正是这种不同，使得它能够把许多难以求解的问题变的容易处置:由于可任选单元体的形状和尺寸，故能够“组拼”出形状复杂的机械零件。在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过量的简化，从而提高了解题精度，增大了可解的范围；关于应力集中区能够减小单元体尺寸来细加考察；关于各类复杂类型的外载荷都能够采取适当的方式将其分派至节点处来计算；易于解决有初应力、热应力的问题；易于处置材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解；能够解决材料的非线性和结构的非线性问题；采纳大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和稳固性。由

51、于运算机的求解方程组的能力超级壮大，构造模型又超级准确，因此有限元法在运算机上利用极为普遍。有限元方式计算精度高，速度快，可缩短设计试制周期和降低本钱。目前，优秀的画图系统软件都配有有限元分析程序窗口。当图形绘制完毕，可当即进行网格划分，并进行强度计算。通过不断修改图形和反复计算，能够使设计质量大幅度提高。有限元法可用于各类模拟和分析方式中，在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工程等领域取得了普遍应用。由于其所涉及问题和算法大体上都是来源于工程实际，应用于工程中，其解决工程实际问题的能力愈来愈强。在汽车领域，有限元法可用于成立汽车结构系统的振动模型，还能够用于设计的刚度与变形分析、设

52、计的应力与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等。有限元法的特点有限元能够取得迅速的进展与愈来愈普遍的应用，除电子运算机技术的进展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的，综合来讲，有限元法的特点有:有限元法能够完成复杂结构的分析，它利用离散化将无穷自由度的持续体力学问题变成有限单元节点参数的计算，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从而能够用多种方式对其求解，尽管它的解是近似的，但适被选择单元的形状于大小，可使近似解达到中意的精度；引入边界条件的方式简单，边界条件不进入单个有限元单元的方程，而是在取得整体代数方程后再引入边界条件，如此内部和边界上的单元都能够采纳相同的场

53、变量模型。而且当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变；有限元法不仅适应与复杂的几何形状和边界条件，而且能处置各类复杂的材料性质问题，另外还可解决非均值持续介质的问题；有限元法考虑了物体的多维持续性，不仅在离散进程中把物体看成是持续的，而且不需要用别离的插值进程把近似解推行到持续体中的每一点；有限元法通常采纳矩阵表达形式，超级便于编制运算机程序，从而适应于电子运算机的运算工作；该方式能够在不同层面上取得阐释或明白得。对有较深数学知识的人来讲，完全能够用数学语言来描述，并取得严格推理。而对一样人来讲，能够只从物理层面上取得明白得。有限元法的计算思路关于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法

54、的大体思路是相同的，有限元求解问题的大体思路如下：物体离散化-单元特性分析-单元组装-求解节点自由度。物体离散化将某个工程结构离散为由各类单元组成的计算模型，这一步称为单元剖分。离散后单元与单元之间利用节点连接起来，单元节点的性质、数量阻碍着描述结构接近程度。因此有限元分析中的结构是用同样材料的众多单元以必然方式连接而成的离散物体，是对原先的物体或结构的近似。如此，用有限元分析计算所取得的结果只是近似结果。只有合理地选择单元和划分足够的单元数量，才能取得的结果与实际情形相符合。有限元法把弹性持续体分割成数量有限的单元，相邻单元之间仅在节点处相连，节点一样都在单元边界上，节点的位移分量作为大体未

55、知量，组成了有限单元集合体并引进了等效节点力及节点约束条件，就成为有限元自由度的有限元计算模型，替代了原先无穷多自由度的持续体。有限元法的实质是把无穷多个自由度的弹性持续体，理想化为有限个自由度的单元集合体，使问题简化，适合数值求解。结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基础。划分单元的一样原那么是:关键部位要尽可能利用小单元和高精度单元，应力和位移转变平缓的部位能够采纳大单元和低精度单元:在边界曲折、应力集中、应变梯度大的地址，如集中载荷处、散布载荷突变的地址，单元应划分得细一些:任何单元的节点也应当是相邻单元的节点:材料转变的地址应当划分新的单元。单元特性分析在有限元方式中，选择

56、节点自由和相应的插值函数来表示单元的物理量。在结构分析中一样用位移法进行分析，位移法确实是利用节点位移和位移函数来表示单元中的位移散布，这是能够对单元中位移的散布采纳一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中咱们将为一函数表示为坐标变量的简单函数。这种函n数称为位移模式或位移函数，如yaii其中ai是待定系数;i是与坐标有关的i1某种函数。依照单元的材料性质、形状、尺寸、节点数量、位置及其含有等，找到单元节点力和节点位移的关系式，导出单元刚度矩阵，同时计算等效节点力。选定单元的类型和位移模式后，就能够够按虚功原理或最小势能原理成立单元刚度方程，它事实上是单元各个节点的平稳方程，其系数

57、矩阵称为单元刚度矩阵。eeekF(2-1)式中：e单元编号；ke单元刚度矩阵；e单元的节点位移；Fe单元的节点力向量。依照单元的材料性质、形状、尺寸、节点数量、位置等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。现在需要用弹性力学中的几何方程和物理方程来成立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。物体离散化后，假定力通过节点从一个单元传递到另一个单元。可是，关于实际的持续体。力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因此，这种作用在单元边界的表面力、体积力或集中力都需要等效的移到节点上，也确实是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。(1)单元组装利用结构的平稳条件和边界条

58、件把各个单元按原先的结构从头联接起来，形成整体有限元方程，从而形成整体刚度矩阵。整体刚度矩阵反映的是结构整体力向量同整体位移向量之间的关系，因此组成整体刚度矩阵时，能够依照整体位移向量的顺序对单元刚度矩阵进行运算。即 TOC o 1-5 h z KF(2-2)式中：K整体结构的整体刚度矩阵;整体结点位移矩阵;F整体结构的等效节点载荷列矩阵。求节点的自由度求解整体的有限元方程，取得节点自由度值。分析计算结果2.3ANSYS软件介绍ANSY驮件作为世界闻名的美国ANSYS司最具盛名的CAE次件产品，自从引进国内以后，由于其具有结构、热、流体、电磁和耦合场分析功能，而且功能体系完整壮大，取得超级成功

59、地应用和推行，应用于航空航天、军工、能源动力、船舶、车辆、通用机械等各个行业，用户群超级庞大。ANSYS软件的进展1970年，JohnSwanson博士洞察到运算机模拟工厂应该商品化，于是创建了ANSY%司，总部位于美国宾咯法尼亚州的匹兹堡。20世纪70年代初，ANSYS?序中融入了新的技术和用户要求，从而使程序发生了专门大的转变，非线性、字结构和更多的单元类型被加入了程序。70年代末，交互方式的加入是该程序最为显著的转变，它大大简化了前处置和后处置。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料和边界条件；在分析完成以后，计算结果的图像显示可用于分析查验。30连年来，ANSYS司致

60、力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方式和计算技术，引领着世界有限元技术的进展，并被全世界工业普遍同意，拥有普及全世界的50000多个用户。ANSYS1供的虚拟样机设计方式，利用户减少了昂贵费事的物理样机进程，在一个了持续的、彼此协作的工厂设计中，结构设计贯穿于整个产品开发进程，而且工作人员之间像一个团队一样彼此协作。ANSY价析模拟工具易于利用、支持多种工作平台，并在异种异构平台上数据百分百兼容，提供了多场耦合的分析功能。在众多的有限元软件中，ANSYSB件是将结构、热、流体、电磁及声学等分析功能集于一体的大型通用有限元软件，可普遍用于航空航天、机械制造、能源、汽车、核工业、铁路、石油化