船舶与海洋工程 毕业设计（论文）-基于SESAM的“胜利5号”自升式平台强度有限元静力分析.docVIP

江江 苏苏 科科 技技 大大 学学 本科毕业设计（论文） 学 院 船舶与海洋工程船舶与海洋工程 专 业 船舶与海洋工程船舶与海洋工程 学生姓名 王振翔王振翔 班级学号 指导教师 二零一二年五月 江苏科技大学本科毕业论文 “胜利 5 号”自升式平台强度有限元静力分 析 static analysis on the shengli 5 rig with finite element method 江苏科技大学本科毕业设计（论文） i 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 摘摘 要要 随着海洋油气资源竞争日趋激烈，海洋平台的研究更具时代意义，其安全特性 成为建造和升级的关键。本文以“胜利 5 号”自升式平台为研究对象，基于大型有 限元分析软件 sesam 软件平台，采用 sesam 的静力分析研究平台在自重、风、流和 波浪联合载荷作用下的受力特点。首先用 sesam 对自升式平台建立三维仿真模型， 然后计算并比较不同工况下平台的位移和所受到的应力，最后根据规范进行强度校 核。为此，本论文着重研究： 1. 选用斯托克斯波浪理论、莫里森方程及确定重力、风、波浪、海流等环境载 荷； 2. 如何用 sesam 建立自升式平台的三维仿真模型； 3. 对重力、风、流和波浪等载荷进行多种工况的组合，分析、比较不同工况下 平台所产生的位移以及所承受的最大应力； 4. 根据ccs 海上移动平台入级与建造规范进行强度校核。 关键词：关键词：胜利 5 号；自升式平台；sesam；静力分析；有限元分析 江苏科技大学本科毕业设计（论文） i abstractabstract the safety analysis of offshore platform is more and more important,because of offshore platform is the basic establishment for marine oil and gas exploitation.certain jack-up platform is the study object,and the sesam software is the study base.the machanical character of the offshore platform suffering from wind,current and wave force was researched by virtue of sesam static analysis. the environment where it is even worse, in the waves ,wind, currents, and tides, the material prone to aging, component defects, mechanical strainand fatigue damage accumulation and crack growth and other negetive factors affecting the safety and service structure durability.in view of the above purposes, the following work has been done in this article: 1. choosing stokes wave theory and the morrison equation was selected and introduced, the calculation method of wind，load flow was provided to obtain a platform environment load parameters. 2 three dimensional simulation model of the jack up ocean platform was established with the sesam. 3 the platform structure statical analysis was carried on after load under four kinds of operating modes,which was combinationed by gravity, wind, wave, ocean current, and the statical analysis result has been given. 4. depending on the the yield strength of steel and ccs-related specification to do the stress check key word：shengli 5 rig; jack-up platform; sesam software; static analysis; finite element analysis 目目 录录 江苏科技大学本科毕业设计（论文） ii 第一章第一章 绪论绪论1 1 1.1 选题的目的和意义 .1 1.2 国内外研究现状及存在的问题 .1 1.3 本论文研究内容和方法 .2 1.4 本章小结 .3 第二章第二章 环境载荷理论及计算环境载荷理论及计算5 5 2.1 波浪理论的选择 .5 2.2 波浪载荷的计算 .5 2.3 海流载荷的计算 .6 2.4 风载荷的计算 .7 2.5 本章小结 .9 第三章第三章 有限元法及有限元法及 sesamsesam 软件软件1010 3.1 有限元法 10 3.2 sesam 软件.12 3.3 本章小结 21 第四章第四章 建模及加载建模及加载2222 4.1 自升式平台的参数 22 4.1.1 平台主尺度 23 4.1.2 桩腿长度 23 4.1.3 各状态可变载荷23 4.1.4 设计环境条件23 4.2 建模 23 4.2.1 所用钢材设定及单元属性设置20 4.2.2 建立平台模型23 4.3 平台加载 24 4.3.1 重量载荷24 江苏科技大学本科毕业设计（论文） iii 4.3.2 边界约束26 4.3.3 环境载荷26 4.4 分析设置 33 4.5 本章小结 35 第五章第五章 运行结果分析及校核运行结果分析及校核3636 5.1 运行结果 36 5.2 结果统计及分析 50 5.3 应力校核 51 5.4 本章小结 51 结束语结束语5252 致致 谢谢5353 参参 考考 文文 献献5454 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 0 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1选题目的和意义选题目的和意义 海洋平台结构式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。自1947年墨西哥couissana海域建造第一座钢制海洋石油开采平台以来，随着海 洋油气资源开发的大规模发展，世界上已经建造近6000座海洋石油开采平台。特别 是当今海洋资源竞争日益激烈，海洋平台的建造和开发尤为重要。 海洋平台结构复杂，体积庞大，造价昂贵。特别是与陆地结构相比，它所处的 海洋环境十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还 收到地震的威胁。在如此环境条件下，环境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷和基 础动力软化、材料老化、构建缺陷和机械损伤及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等不利 因素，都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久度 1。 由于对海洋平台环境的复杂性和随机性以及平台结构损伤积累和服役安全度认 识不充分，曾发生过多起海洋平台事故，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。 因此，采取有效的分析方法研究平台结构的应力及可靠性，是保证平台安全建造和 使用的有效措施。 1.21.2国内外的研究现状及存在问题国内外的研究现状及存在问题 从1970 年至今, 国内共建造移动式钻采平台58 座, 已退役7 座, 在用51 座, 在建7 座。我国已具备自升式平台、座底式平台的设计、建造能力, 并且有国内外 多个平台、船体的建造经验, 现已成为浮式生产储油装置( fpso) 的设计、制造和 应用大国。我国fpso 的数量与研制技术走在世界前列, 但其他海洋石油工程装置还 是落后于世界先进水平20多年。 目前, 我国海洋油气资源的开发仍主要集中在300 m 水深以内的近海海域, 尚 不具备超过500 m深水作业的能力。随着海洋石油开发技术的进步,深海油气开发已 成为海洋石油工业的重要部分。虽然我国在深海油气开发方面距世界先进水平还存 在 较大差距, 但我国的深水油气开发技术已经迈出了可喜的一步, 为今后走向深海奠 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 1 定了基础。2004 年, 中海油研究中心承担了国家“863”项目“深水油气田开 发工程共用技术平台研究“, 开始了国内首个深水工程技术的系统研究2。 2007.02.12, 中海油深水半潜式钻井平台设计正式启动, 中国进军海洋深水勘探的 梦想正在成为现实。2006 年, 中石油集团海洋石油工程公司承担了国家“863”项 目“南海深水油气勘探开发”的“深水半潜式钻井平台关键技术”, 该课题迈 出了我国进 军深海油气开发的步伐。 我国在近海海域发现了一系列富含油气的盆地, 主要分布在渤海、黄海、东海、 珠江口、北部湾和莺歌海等区域。在我国管辖南海海域又圈定的38个沉积盆地中, 海上油气资源可达400 亿t 以上的油当量。中国南海石油储量在230 300 亿t 油当 量, 占中国总资源的1/ 3, 有“第2 个中东海湾”之称。所以, 我国是世界上海底 油气资源非常丰富的国家之一。如今, 我国海上原油发现率仅为181 5% , 天然气发 现率仅为9. 2% 。海洋油气开发的旺盛投资为海洋油气工程装置的发展提供了巨大 机遇。国内3 大石油公司在未来5年内的海洋石油装备投资额约220 亿元, 按照海洋 油气开发“先近后远”的计划, 未来10年我国海洋油气开发战场将逐步向东海、南 海等深海转移。随着深海开发步伐的加快, 海洋石油装备投资额将继续增长, 我国 海洋石油装备的需求和海洋石油工程建设的工作量将有较好的扩张前景2。 海洋油气工程装备产业是直接关系到海洋油气资源开发, 影响国家能源稳定和 经济安全的战略产业。海洋油气工程装备已是造船业利润的新增长点, 并成为主要 海洋国家相争的目标。世界上主要海洋国家, 诸如美国、英国、法国、日本、韩国、 加拿大、澳大利亚等, 相继制定了“国家海洋发展战略”,提出了“海洋是能源之源、 立国之本” 、 “保证海洋的可持续发展”等政策。当前, 我国海洋油气发展存在的3 大矛盾主要是2 : 加快发展速度与资源短缺的矛盾; 环境友好型社会与环境污染等 问题的矛盾; 提高国际竞争力与国内创新能力薄弱的矛盾。欲解决这3 大矛盾, 加 快海上油气开发和发展海洋石油装备工业已成为重要举措。国际油价的进一步攀高, 使得油气资源供应不足阻碍经济发展的这一矛盾更加突出。提高油气资源的产量, 海洋油气的开发已经成为我国实现能源可持续发展的战略重点。海洋石油钻井装备 产业是以资本密集和技术密集为主要特征, 为海洋油气资源开发提供生产工具的企 业集合, 是海洋油气产业与装备制造业的有机结合体。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 2 1.31.3本论文研究内容本论文研究内容 任务： （1）查阅图纸资料、完成调研报告； （2）选择平台的环境载荷，包括流，风等载荷； （3）用 sesam 建立平台的有限元模型； （4）加载并计算出静力载荷作用下海洋平台结构的应力； （5）根据相应的规范进行应力校核。 1.41.4本章小结本章小结 本章首先说明选题的目的和意义，介绍了自升式平台在国内外的发展状况其后 就本文研究课题所使用的静力分析方法进行了介绍，最后介绍了本文的任务。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 3 第二章第二章 环境载荷环境载荷理论及计算理论及计算 海洋平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，环境载荷包括：由风、波浪、海流、 海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的载荷。本文主要分析风、浪、流 理论以及波浪载荷、风载荷和流载荷的计算方法和载荷值的确定6。 2.12.1 波浪理论的选择波浪理论的选择 波浪理论就是用流体力学的基本规律揭示水波运动的内在本质，为海洋结构物 设计时研究作用在结构上的波浪力、波浪引起的结构运动等提供理论基础。 根据海洋平台作业的水域条件进行的计算和分析，就波峰处的水平速度和垂直 加速度而言，孤立波理论的结果一般偏大，只有在极浅水域（d/t21）时才与司托克斯五阶波的结果接近，至于椭圆余弦波与司 托克斯五阶波的比较一般是椭圆余弦波的结果大些，仅当 d/t20.080.1 时，两 者才比较接近。各国学者和工程界曾对各种波浪理论的适用范围作过详细的讨论和 评述，但其结论并不是唯一的。迪安（dean.r.c）于 1970 年对若干种波浪理论进行 了研究，认为图 2.1 示的各种波浪理论是该区域和自由表面动力边界条件拟合最好 的波浪理论。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 4 图 2-1 各种波浪理论的适用范围适用 2.22.2 波浪载荷的计算波浪载荷的计算 作用在平台结构上波浪诱导的载荷是由于波浪产生的压力场所致，一般波浪诱 导载荷可以分为三种：拖曳力、惯性力和绕射力。拖曳力是由于物体造成水流的扰 动引起的；惯性力又由两个分量组成，一是由于入射波压力场引起的作用力，一是 由于水的惯性引起的附加质量力；绕射力是由于考虑物体的作用，而使波浪发生绕 射时引起的作用力。上述波浪诱导载荷分量对于具体的结构对象来讲，并不都是同 等重要的，这取决于结构的型式和尺度，以及所选取的波浪工况8。在海洋工程结 构中，通常是根据大尺度结构还是小尺度结构来决定选用哪种计算波浪载荷的方法。 对于小尺度结构，波浪的拖曳力和惯性力是主要的分量，而对于大尺度结构，波浪 的惯性力和绕射力是最主要的分量。在海洋平台强度分析中，除钢筋混凝土重力式 平台等大尺度物体外，平台构件基本上是按小尺度结构来考虑的，因为它的构件截 面尺寸与波长相比是非常的小的，所以物体所引起的绕射作用可以可以忽略不计。 这里所谓小尺度构件是指 d/l)+流力； 重力+波浪力(北)+流力； 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 38 重力+波浪力(南)+流力； 重力+波浪力(西)+流力； 工况 3：重力+风力（东风）+波浪力+流力； 重力+风力（北风）+波浪力+流力； 重力+风力（南风）+波浪力+流力； 重力+风力（西风）+波浪力+流力； 4.54.5 本章小结本章小结 本章详细介绍了运用 sesam 软件进行建模，包括平台的简化及建模过程。对平 台所受外部载荷进行简单计算并加载，从而进行下一步使用软件计算平台所受应力 及产生位移。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 39 第五章第五章 计算结果分析及校核计算结果分析及校核 5.15.1 计算结果计算结果 工况工况 1 1：重力：重力 图 5.1 为重力作用下的 x 向位移图。 图 5.1 重力作用下的 x 向位移图 图 5.2 为重力作用下的 y 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 40 图 5.2 重力作用下的 y 向位移图 图 5.3 为重力作用下的 z 向位移图 图 5.3 重力作用下的 z 向位移图 图 5.4 为重力作用下的平台 vomises 应力图。 图 5.4 重力作用下的平台 vomises 应力图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 41 工况工况 2 2：重力：重力+ +波浪力波浪力+ +流力流力 图 5.5 为重力+波浪力(东)+流力作用下的 x 向位 移图 图 5.5 x 向位移图 图 5.6 为重力+波浪力(东)+流力作用下的 y 向位 移图 图 5.6 y 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 42 图 5.7 为重力+波浪力(东)+流力作用下的 z 向位 移图 图 5.7 z 向位移图 图 5.8 为重力+波浪力(东)+流力作用下的平台 vomises 应力图 图 5.8 平台 vomises 应力图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 43 图 5.9 为重力+波浪力(北)+流力作用下的 x 向位 移图 图 5.9 z 向位移图 图 5.10 为重力+波浪力(北)+流力作用下的 y 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 44 图 5.10 y 向位移图 图 5.11 为重力+波浪力(北)+流力作用下的 z 向位 移图 图 5.11 z 向位移图 图 5.12 为重力+波浪力(北)+流力作用下的平台 vomises 应力图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 45 图 5.12 平台 vomises 应力图 图 5.13 为 重力+波浪力(南)+流力作用下的 x 向 位移图 图 5.13 z 向位移图 图 5.14 为 重力+波浪力(南)+流力作用下 y 向位 移图 图 5.14 y 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 46 图 5.15 为 重力+波浪力(南)+流力作用下的 z 向 位移图 图 5.15 z 向位移图 图 5.16 为重力+波浪力(南)+流力作用下的平台 vomises 应力图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 47 图 5.16 平台 vomises 应力图 图 5.17 为 重力+波浪力(西)+流力作用下的 x 向 位移图 图 5.17 x 向位移图 图 5.18 为 重力+波浪力(西)+流力作用下的 y 向 位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 48 图 5.18 y 向位移图 图 5.19 为 重力+波浪力(西)+流力作用下的 z 向 位移图 图 5.19 z 向位移图 图 5.20 为重力+波浪力(西)+流力作用下的平台 vomises 应力图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 49 图 5.20 平台 vomises 应力图 工况 3：重力+风力+波浪力+流力 图 5.21 为重力+风力（东风）+波浪力+流力作用下的 x 向位移图 图 5.21 x 向位移图 图 5.22 为重力+风力（东风）+波浪力+流力作用下的 y 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 50 图 5.22 y 向位移图 图 5.23 为重力+风力（东风）+波浪力+流力作用下的 z 向位移图 图 5.23 z 向位移 图 5.24 为重力+风力（东风）+波浪力+流力作用下的平台 vomises 应力图 图 5.24 平台 vomises 应力图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 51 图 5.25 为重力+风力（北风）+波浪力+流力作用下的 x 向位移图 图 5.25 x 向位移图 图 5.26 为重力+风力（北风）+波浪力+流力作用下的 y 向位移图 图 5.26 y 向位移图 图 5.27 为重力+风力（北风）+波浪力+流力作用下的 z 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 52 图 5.27 向位移图 图 5.28 为重力+风力（北风）+波浪力+流力作用下的平台 vomises 应力图 图 5.28 平台 vomises 应力图 图 5.29 为重力+风力（南风）+波浪力+流力作用下的 x 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 53 图 5.29 x 向位移图 图 5.30 为重力+风力（南风）+波浪力+流力作用下的 y 向位移图 图 5.30 y 向位移图 图 5.31 为重力+风力（南风）+波浪力+流力作用下的 z 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 54 图 5.31 z 向位移图 图 5.32 为重力+风力（南风）+波浪力+流力作用下的平台 vomises 应力图 图 5.32 平台 vomises 应力图 图 5.33 为重力+风力（西风）+波浪力+流力作用下的 x 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 55 图 5.33 x 向位移图 图 5.34 为重力+风力（西风）+波浪力+流力作用下的 y 向位移图 图 5.34 y 向位移图 图 5.35 为重力+风力（西风）+波浪力+流力作用下的 z 向位移图 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 56 图 5.35 z 向位移图 图 5.36 为重力+风力（西风）+波浪力+流力作用下的平台 vomises 应力图 图 5.36 平台 vomises 应力图 5.25.2结果统计及分析结果统计及分析 结果统计： 表 5-1 结果统计表 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 57 x 方向最大 位移（m） y 方向最 大位移 （m） z 方向最 大位移 （m） 最大应力 （pa） 工况 1：重力 0.017960.0095150.0001302.12e+08 工况 2：重力+波 浪力（北）+流力 0.030100.005092.16e+08 工况 2：重力+波 浪力（东）+流力 00.00969602.15e+08 工况 2：重力+波 浪力（南）+流力 0.030900.5083440.00478592.27e+08 工况 2：重力+波 浪力（西）+流力 0.4333120.00916060.00331182.21e+08 工况 3：重力+风 力（东风） +波浪力+流力 00.009637102.14e+08 工况 3：重力+风 力（北风） +波浪力+流力 0.023661200.00245722.11e+08 工况 3：重力+风 力（南风） +波浪力+流力 0.02902070.4481630.00401982.24e+08 工况 3：重力+风 力（西风） +波浪力+流力 0.3916610.00921960.00283511.77e+08 结果分析 1.平台同时受重力、波浪力（南）和流力作用时，平台位移及应力为最大，即 为平台的最危险状态。 2.平台所产生最大 x 方向位移为 0.433312m，最大 y 方向位移为 0.508344 m， 最大 z 方向位移为 0.00509m，最大 vomises 应力为 2.27e+08pa。 5.35.3 应力校核应力校核 屈服失效准则：参与结构分析的平台主体框架的结构构件应按以下规定确定其 需用应力： 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 58 =/s n/mm s 2 式中：-材料的屈服强度，n/mm ; s 2 s - 安全系数，按表 5-1 取用。对于板材，按表 5-2 取用相当应力安全系 数21。 表 5-2 安全系数 静载工况组合工况 轴向或弯曲应力 1.671.25 剪切应力 2.501.88 表 5-3 当应力安全系数 静载工况组合工况 1.431.11 由表 5-1 知平台所受的最大应力为 188mpa，参考 ccs海上移动平台入级与建 造规范(2005)规范的屈服失效强度校核理论，校核结果如下： = 356/ 1.25 =284.8mpa 227mpa 从上述分析可知，该自升式平台的设计符合 ccs 海上移动平台入级与建造规范 的要求。 5.45.4 本章小结本章小结 本章主要计算出平台在重力，重力+波浪力+流力，重力+风力+波浪力+流力这几 种工况下平台所受最大应力及所产生位移。通过分析得出，当平台同时受重力、波 浪力（南）和流力作用时，应力为最大，此种工况为平台的最危险状态。并得出此 时的最大应力为 227mpa，满足相关规范要求。 江苏科技大学本科毕业设计（论文） 59 结结 语语 本文以“胜利 5 号”自升式平台为研究对象，主要基于 sesam 软件平台，分别 计算其重力、重力加风力、重力加风力加波浪力加流力等工况下结构的应力与位移 大小，可得主要结论如下： 1. 从上面分析可以看出，桩腿靠近平台处属于高应力和应力集中区，因此在 平台初步设计阶段必须对这些节点给予特殊考虑。为了使平台结构在设计使用寿命 内能够满足环境条件的要