毕业设计（论文）-15米水深简易导管架平台设计.docx

15米水深简易导管架平台设计第一章 前言随着人类社会的进步，对能源需求益发体现强烈，陆地上所探明的生物资源和化石资源已经很难满足人类对能源的需求了，人们正在一步一步把探寻能源的脚步从大陆延伸到海洋，并以获取油气能源为主要目的，在今后和未来比较长的一段时间内，油气能源将继续在世界能源需求中占主导地位，海洋石油已经成为未来石油资源的主要来源，目前，世界石油工业正面临着巨大的挑战，全球油气储量增长乏力，远远无法弥补每年的产量。然而全球的油气消耗量仍将以较快的速度增长。全世界己探明的世界海洋石油储量的80%以上在水深500m以内，其中近一半储量属于边际油田，因此简易平台，尤其是较小型的导管架平台拥有良好的应用前景。特别的，中国渤海湾西部的浅水海湾，京津的海上门户，华北海运枢纽。三面环陆，与河北、天津、山东的陆岸相邻，东以滦河口至黄河口的连线为界与渤海相通。面积1.59万平方公里，约占渤海1/5。此外，渤海湾湾口亦有从大清河口到黄河口的划法。海底地势由岸向湾中缓慢加深，平均水深12.5米。渤海湾盆地中浅层是我国主要的产油气层系之一。分析了渤海湾盆地深层油气勘探现状和资源前景,认为:渤海湾盆地深层有较好的油气形成条件和较丰富的深层油气资源;因此,加强对渤海湾盆地深层石油和天然气资源的勘探和开发,是该盆地今后一个重要的勘探方向和领域。其中，设计建造15米水深的简易导管架平台，对渤海湾的油气采集有着既经济有实用的优势。1947年，出现第一座钢质固定平台，发展很快。70年代，在美国路易斯安那州墨西哥湾建成了当时世界上最大的钢制固定平台，水深达到312米，经过60多年的发展，钢制导管架平台从设计，预制和海上安装技术已经是一套非常成熟的技术，到目前为止，它仍是海上油田开发应用最广泛的一种类型。实用最深的水深是460米，其导管架平台上部组块最大重量已达33000吨。1966年我国第一座固定式海洋平台在渤海湾建成，之后自20世纪60年代开始在渤海湾勘探和开发石油，目前已建成海洋平台100余座，导管架平台所能达到水深与国外尚有一定的差距。本文进行了15米水深简易导管架平台的设计，内容主要包括以下几个方面：1 根据以确定的15米水深平台、对平台其他主尺度和构件尺寸的进行确定；2 进一步ANSYS在导管架平台中的应用；3 根据所确定的尺寸数据建立适当的ANSYS有限元模型；4 对平台模型加载规定海况的各种载荷工况组合 5 对平台模型进行静力分析，动力校核，强度刚度校核，桩基承载计算第二章 环境条件及设计依据2.1平台用途及主要功能此平台主要为三桩腿式简易平台，用于开采渤海湾某编辑油田，该油田处水域水深15米，平台主要包括桩腿，导管架，甲班及上部建筑等，甲班及上部设备总重180吨。2.2环境条件 2.2.1 工作水深：油田所处海域水深15m 2.2.2 潮位（50年重现期）以渤海平均海平面为0m海平面校核高水位：2.76m校核低水位：-1.32m设计高水位：1.36m设计低水位：-0.68m2.2.3 波浪（50年重现期）最大波高：4.5m最大波高对应周期：8.6s设计波高：3.6m设计波高对应周期：8.2s2.2.4 海流上层流速：1.56m/s中层流速：1.35m/s底层流速：1.12m/s2.2.5 风速波浪作用下：46.9m/s海冰作用下：27m/s2.2.6冰载荷（50年重现期）设计冰厚：0.45m抗压强度2250kPa 2.2.7 磨损与腐蚀：飞溅区构件腐蚀裕量： 3mm飞溅区定义标高： -1.68m+3.22m冰接触区构件磨损量： 1mm冰接触区标高： -1.06m+1.72m2.2.8地基土壤的物理学性质土壤层号土壤名称深度m水下容重KN/m3剪切强度C(Kpa)摩擦角（度）1非常软的粘土03.66.03.02粉砂质粘土3.69.28.526.03细砂9.211.39.2254硬的细砂质粘土11.315.59.682.05粉砂15.518.29.9206粉砂质细砂18.225.09.7257粉砂质粘土25.028.310.260.08粉砂28.3359.5252.2.9 设计依据使用年限:15年，以50年重现期的极端载荷的数据情况为设计依据平台所用钢材桩基础和导管架均用，甲板使用Q-235-A。按照规范要求，钢材的屈服应力为315Mpa，许用应力取189 Mpa；Q-235-A钢材的屈服应力为235 Mpa，许用应力取141 Mpa。依据规范：中国船级社浅海固定平台规范（2007）API浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范第三章 平台选型及主尺度方案一：四桩腿平台方案二：三桩腿节点加厚平台加厚节点设计要求：平台甲板面积14m12m，承载能力180t。 考虑环境条件及经济效益，四桩腿平台用材较多，作为常规平台已经不适合采用，三桩腿节点加厚平台由于桩腿卷管的不易操作性，且经校核不加厚三桩腿平台已经能够满足设计需求，故采用节点不加厚三桩腿导管架平台：平台甲板高程：9.00 m 工作点高程：5.00 m桩腿导管尺寸为108025，导管架外尺寸120020，在后面建模过程中采用桩腿等效壁厚，斜度为1/10。导管架设3层水平横撑，潮差带不设斜撑，水平横撑尺寸60020，斜撑尺寸为40020。导管架底部设置防沉板，防沉板厚度为8 mm。选取摩擦桩桩径为1.08m，则根据CCS规范钢管桩壁的最小厚度t按下式计算： t=6.35+D/100 mm式中 D一桩径，mm则取桩壁厚为25 mm t=6.35+1080/100=17.15 mm。桩入土深度为35m。平台甲板采用板、梁结构，面积为14m12m，甲板板厚为 8mm ，Y向设5根主梁，X向设4根，主梁为60030030工字梁次梁为40020025。 第四章 环境条件计算4.1 风载荷计算风浪载荷组合时风速采用46.9m/s，计算风冰组合时风速采用27m/s4.1.1计算公式作用于平台上的风载荷按下式计算： 式中 p风压；A结构垂直于风向的投影面积。载荷作用在上述投影面积的中心位置。 其中，结构所承受的风压为：为基本风压，标准高度为海面上10m 式中 风压的高度系数；构件形状Cs球0.4圆柱0.5大平板1.0 钻井架1.25甲板以下暴露的梁和桁材1.3孤立结构1.5构件的形状系数。、取值见下表 表4.1风压的高度系数 表4.2构件的形状系数h(m)CH015.31.00 15.330.51.10 30.546.01.20 46.061.01.30 61.076.01.37 76.091.51.43 其中h（m）为构件距离海平面的高度4.1.2 计算结果风浪流:风X方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.365111374.81374.84124411.8486679甲板梁8.70.612111374.81374.89899989087连接构件61.08610.51374.8687.444547.533408桩腿51.08210.51374.8687.414855.58166横撑3.6250.66.910.51374.8687.42846411383导管架01.21010.51374.8687.482492.520622F总=68117N M总=649345 N*m合力作用点高h=649345/68117=9.52m等效载荷：F=68117N M=68117（9.52-9）=35752 N*m作用点高度距离静水平面9米风冰流:风X方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.36511455.6455.61366811.8161282甲板梁8.70.61211455.6455.63280929523连接构件61.08610.5455.6227.814767.511071桩腿51.08210.5455.6227.84925.52706横撑3.6250.66.910.5455.6227.894343772导管架01.21010.5455.6227.827342.56834F总=22593N M总=215188 N*m合力作用点高h=215188/22593=9.52m等效载荷：F=68117N M=22593（9.52-9）=11851 N*m作用点高度距离静水平面9米风浪流:风Y方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.385111374.81374.85499211.8648906甲板梁8.70.614111374.81374.8115489103935连接构件61.08910.51374.8687.466827.550111桩腿51.08310.51374.8687.422275.512249横撑3.6250.6810.51374.8687.43300413200导管架01.21510.51374.8687.4123732.530933F总=91122 N M总=859334 N*m合力作用点高h=859334/91122=9.43m等效载荷：F=68117N M=91122（9.43-9）=39236 N*m作用点高度距离静水平面9米风冰流:风Y方向名称底部位置B或RhChCsP0（Pa）P（Pa）F(N)作用点(m)M(N*m)工作间9.38511455.6455.61822411.8215043甲板梁8.70.61411455.6455.63827934443连接构件61.08910.5455.6227.822147.516607桩腿51.08310.5455.6227.87385.54059横撑3.6250.6810.5455.6227.8109344374导管架01.21510.5455.6227.841002.510251F总=30196 N M总=284777 N*m合力作用点高h=284777/30196=9.43m等效载荷：F=30196N M=30196（9.43-9）=13013 N*m作用点高度距离静水平面9米注：为了在强度校核时简化计算并减少应力集中，据力的平移法则，将风载等效为一个集中力外加一个弯矩，作用于导管架顶端，作用点距离静水面高度9米。表格中的“底部位置”指构件底部距海平面的距离，“合力作用点高度”亦是指该部位构件合力作用点距海平面的高度。4.2 冰载荷4.2.1 计算公式作用于平台上的冰载荷按中国固定式平台计算公式计算： 式中 ：桩柱形状系数，圆柱取0.9； ：局部挤压系数，计算公式K1=1+5hd； ：桩与冰层的接触系数，取0.45； ：桩柱宽度（或直径）； ：冰层计算厚度。4.2.2 计算结果根据CCS规范计算；由环境条件：2250kPa；由设计资料得：b=1.20m h=0.45m。则单桩腿所受的冰载荷为：0.91.70.451.20.452250=836.528kN=836528N考虑到群桩产生的遮蔽效应及堵塞作用，遮蔽桩腿受到的冰载荷为： 0.3836.5280.3250.928 kN=250928N据CCS规范，当桩腿之间总距离L8D时不考虑“群桩效应”。有 8D=81.088.64m（，D为桩的直径）依据设计资料，内侧桩泥线处最小间距为5.7162-1.2=10.232m10.232m8.64m，故不考虑“群桩效应”。4.3 波浪、流载荷4.3.1 计算公式对小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力， 当D/L0.2（D为圆形构件直径，m；L为设计波长，m）时，可按Morison公式计算： N/m 式4.5式中： 海水密度，kg/m3 ； 垂直于构件轴线的阻力系数。必要时，应尽量由试验确定。在实验资料不足时，对圆形构件可取=0.61.0； 惯性力系数，应尽量由试验确定，在实验资料不足时，对圆形构件可取2.0； 水质点相对于构件的垂直于构件轴线的速度分量，m/s， 为其绝对值，当海流和波浪联合对平台作用时，为水质点的波浪速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量； 水质点相对于构件的垂直于构件轴线的加速度分量，m/s2。当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度上的海流载荷按下式计算： N/m 式4.6式中： 阻力系数； 海水密度，kg/m3； 设计海流速度，m/s； 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，m2/m。设计海流速度采用平台使用期间可能出现的最大流速。 4.3.2 计算结果在ANSYS程序中，提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应的Pipe59单元，能够有效模拟海洋环境中的导管架结构，所以需要在ANSYS模型建立之后，将有关波浪和海流参数填入water table表格中，程序将根据所选用的波浪理论对使用了Pipe59单元的结构进行波浪力及流力的计算。考虑到所给出的环境资料（H/d0.2），选用斯托克斯五阶波进行计算，斯托克斯五阶波相关公式如下：波面方程为：式4.7迭代求L、方程为：式4.8其中为深水波长式4.9速度势方程为：式4.10相位角为： 式4.11波形系数： 速度势函数：其中 、为系数。4.4 甲板设备载荷该平台为石油计量平台，其设备总重约为180吨，计算时甲板载荷等效为3个各60吨的质量单元，作用于桩腿顶端的节点之上；平台结构的自重通过输入z轴方向的重力加速度（9.8m/）由ANSYS程序自动生成。4.5 工况和载荷组合4.5.1 波流工况(风浪同向，不考虑风浪与流不同方向耦合情况)1）X方向上（0方向），风力+波浪力+海流力+结构整体自重2）Y方向上（90方向），风力+波浪力+海流力+结构整体自重 4.5.2 海冰工况（考虑风与冰流不同方向方向耦合情况）1）X方向上（0方向），风力+冰力+海流力+结构整体自重2）Y方向上（90方向），风力+冰力+海流力+结构整体自重 3）风力0+海冰力90+海流力90+结构整体自重4）风力90+海冰力0+海流力0+结构整体自重第五章 有限元模型建立5.1 有限元法基本思路有限元法是一种利用电子计算机求解结构静、动态力学特征问题的数值解法，其基本思路是：1.把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特征参数在其中的分布，这一过程即离散。2.通过对单元的分析来建立各特征参数之间的关系方程，即单元分析。弹性力学中，单元分析的任务是建立联系应变和节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力和节点位移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。3.在单元分析的基础上，利用平衡条件和连续条件将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程，即整体矩阵方程。这一过程为整体分析。4.求解整体矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。5.2 ANSYS有限元分析软件概况： 1970年Dr .John A.Swanson成立了Swanson Analysis System，Inc.(SASI)，后经重组改称ANSYS众司。ANSYS是世界CAE行业最著名的公司之一，其总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡。三十年来，ANSYS公司一直致力于设计分析软件的开发、维护以及售后服务等，并不断吸取最新的计算方法和计算机技术，始终领导着国际分析仿真和优化技术的新潮流，为全球工业界所认同，拥有十分广泛的用户群。作为新一代有限元分析软件的代表，ANSYS抓住了现代设计方法对CAE技术提出的新要求，即以广泛的多物理场仿真分析的功能，承担起虚拟样机这一设计核心的角色。ANSYS软件可以实现多场及多场藕合分析，具有强大的非线性分析功能。它是一种可以实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件，并可支持从微机、工作站到巨型机的所有平台以及所有平台的并行计算。5.3 单元特性本文采用了以下ANSYS单元模型进行计算：5.3.1 Beam188 单元特性Beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。Beam188 是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。Beam188/beam189 可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型（不考虑横截面子模型）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。5.3.2 Pipe16单元特性图5.1 Pipe16单元模型Pipe16是一种单轴单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。 该单元在两个结点有6个自由度：沿节点X，Y，Z方向的平移和绕结点X，Y，Z轴的旋转。该单元基于三维梁单元(BEAM4)，包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。图5.1描述显示了该单元的几何形状，节点位置和坐标系。单元的数据输入包括2个或3个节点，管的外部直径(OD) 和管壁厚度(TKWALL)，应力增量系数(SIF)与挠曲系数(FLEX)，内部流体密度(DENSFL)，外部绝缘层密度(DENSIN)与厚度(TKIN)，允许侵蚀厚度(TKCORR)，绝缘表面积(AREAIN)， 管壁质量(MWALL)， 管的轴向刚度(STIFF)，基于转子动力学的自旋频率(SPIN)，和各向同性材料性质。该单元的X轴为从I结点到J节点的方向。当单元由2个结点组成时，单元的Y轴被自动设成平行于整体坐标系的X-Y面。参见图16.1 PIPE16几何描述。在单元平行于Z轴的情况下（或在0.01%坡度范围内），该单元的Y轴是与整体坐标系的Y轴（如图示）平行。用户若想人为控制单元X轴的方向，需定义第3个节点。如果使用了第3节点(K)，则K和I、J一起定义了一个包括单元X轴和Y轴的平面 (如图示)。绕管圆周的输入与输出位置定义为：若沿单元Y轴，为0度；类似的，沿Z轴，为90度。 应力增量系数(SIF)影响弯曲应力。若 KEYOPT(2) = 0，则应力增量系数在I(SIFI)节点和J(SIFJ)节点末端输入；若KEYOPT(2) = 1，2，或3，则软件按照T形接头自行计算并确定。当SIF的值小于1.0时取1.0。挠曲系数(FLEX)被分为截面的转动惯量中从而生成一个计算弯曲刚度所需的修正转动惯量。FLEX的缺省直为1.0，但也可以输入任何一个正数。单元的质量可由管壁材料，外部绝缘体和内部流体计算得到。绝缘体和流体决定了单元的质量矩阵。允许侵蚀厚度用来计算应力。一个确定的管壁其质量是一个常数，不用考虑其计算值。一个非零的绝缘体面积是一常数，不用考虑其计算值(有管壁外直径和长度得来)。一个非零的刚度也是一常数，不考虑管的轴向刚度。5.3.3 Pipe59单元特性pipe59单元是一种可承受拉、压、弯作用，并且能够模拟海洋波浪和水流的单轴单元。单元的每个节点有六个自由度，即沿x，y，z方向的线位移及绕X，Y，Z轴的角位移。除了本单元的单元力包括水动力和浮力效应，单元质量包括附连水质量和内部水质量，其余与单元pipe16相似。pipe59还可以模拟缆索单元，和link8相似。这个单元还适合刚度硬化和非线性大应变问题。图5.2 Pipe59 单元模型pipe59输入数据： 图5.2给出了单元的几何图形、节点位置及坐标系统。本单元输入数据包括：两个节点，管外径，壁厚以及一些荷载和惯性信息；各向同性材料属性；外部附着物（包括冰荷载和生物附着物）；材料粘滞系数用来计算外部流体的雷诺系数。单元的x 轴方向为i 节点指向j 节点，y 轴方向按平行xy 平面自动计算，其他方向如上图所示。对于单元平行与z 轴的情况（或者斜度在0.01以内），图5.3 波、流作用方向单元的y 轴的方向平行与整体坐标的y 轴（如图5.3）。被认为为0度的单元的外部环境输入或输出沿y 轴分布，就和90度的单元的外部环境输入或输出沿z 轴分布类似。KEYOPT(1)用来消除抗弯刚度将管单元转换为缆索单元，如果构件存在扭转，就可以用KEYOPT(1)=2来解决。KEYOPT(2)可以定义质量矩阵是团聚质量矩阵还是一致质量矩阵，可用于长柔结构，常用来分析带扭转的缆索结构。对于海浪，海流和水密度通过water motion table输入，如果不输入，就不会考虑水的作用。虽然文章中用“水”的不同性质，事实上还可用于其他液体性质描述，不同的曳力系数和温度数据也可以通过此表输入。此外，单元长度不能为0，此外，外径必须大于0，内径不能小于0。水面附近的单元长度相对波浪长度应小。单元的两个端点不能同时处于泥面以下，并且如果积分点位于泥面以下，就会忽略水动力。如果单元位于水平面上，可以不考虑PIPE59 Water Motion Table作用。在用缩减法进行瞬态动力分析时，应当注意。因为这种分析会忽略单元上的荷载向量。5.3.4 MASS21单元特性MASS21 是一个具有六个自由度的点元素： 即 x， y， 和 z 方向的移动和绕 x， y， 和 z 轴的转动。每个方向可以具有不同的质量和转动惯量。图5.4 Mass21 单元模型此质点元素由一个单一的节点来定义， 此单元的坐标系统可以平行于全局的笛卡尔坐标系统也可以使用节点坐标系统 (KEYOPT(2). 在节点坐标系的操作中可以看到对节点坐标系元素的操作讨论。做大偏转（a large deflection analysis）分析时元素坐标系相对于节点坐标系会产生旋转。可以通过KEYOPT(3)选项来禁止转动惯量的产生或使元素退化为二维形式。 如果一个元素只需一个输入，那末这个输入将运用到其它所有方向。此元素的坐标系显示如上图所示。 使用该单元的假设与限制：质量单元在静态解中无任何效应，除非具有加速度或旋转载荷或惯性解除，如果质量输入具有方向性，则质量仅输出用x方向表示。5.4 建立模型5.4.1 建模准备工作模型桩腿与导管架等效厚度计算：结构模型化的过程中，出于计算简洁和方便建模的目的，利用抗弯刚度等效原理，将桩腿的壁厚等效到外层的导管架上。根据材料力学有：式5.1式中，W为构件的抗弯截面系数式5.2对于管单元，惯性矩为式5.3外径d内径根据静力等效原理，要使得构件的最大应力相同，需有：式5.4即：式5.5在此，设为导管架桩腿导管的外径，为桩腿的外径，由于是将桩腿的壁厚等效到外层的导管架上，即代入上式则有：将代入可得：由式5.6代入构件尺寸有d4=11604-1200108010804-10304=151955030400mm4得出：d=1116mm等效壁厚为 t(12001116)/242mm5.4.2 建模步骤）创建关键点根据原始图纸，计算初各关键点坐标，并将其输入ANSYS程序。本平台几何模型共有关键点76个，一些关键点是由ANSYS程序“Preprocessor Modeling Move/Modify Keypoints”操作镜像而来。部分关键点坐标如下表所列，由于其数量较多，其余不一一列举。表5.1 部分关键点坐标NO.X，Y， Z LOCATION1-3.811-2.2923.811-2.29304.494-3.811-2.2653.811-2.26604.467-3.897-2.25583.897-2.255904.5510-6.322-3.65-23 ）通过关键点创建直线，完成几何模型的建立通过ANSYS程序“Preprocessor Modeling Create Lines lines Straight lines”的操作，在相关的关键点之间创建直线，则生成下图。图5.5 平台几何模型）定义材料及单元属性新建单元类型：该模型共包括mass21、pipe16、pipe59、beam188四种单元类型，此操作的菜单路径为“Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add select”定义单元实常数：选择菜单路径“ Preprocessor Real Constants Add select Type * OKinput ”，选择需要添加实常数的单元类型。本平台模型共创建了6种单元常量（Set 1Set 6），各单元常量及其单元属性如下。表5.2 Pipe 59及pipe 16实常数输入编号Set1Set2Set3Set4Set5Set6单元类型Pipe59Pipe59Pipe59Pipe59Pipe16Pipe16外径DO(m)1.21.080.60.41.081.2壁厚TWALL(m)0.0420.0250.020.0150.0250.042表5.3 Pipe 59的其他常数值拖曳力系数CD惯性系数CM附加质量比CI浮力比CB内部流体密度DENSO1.42111028表5.4 Mass 21实常数，单位（Kg）X方向质量MASS-XX方向质量MASS-XX方向质量MASS-X600006000060000(建模过程中，在四根桩腿顶部各加一个60吨的质量单元，用于模拟总重为180吨的平台上部模块)表5.5 Beam 188实常数输入（甲板主梁采用工字梁，建模时选取工字截面）单位：m下翼板宽度W1上翼板宽度W2高度W30.30.30.6下翼板厚度t1上翼板厚度t2腹板厚度t30.030.030.03）定义材料属性定义材料的弹性模量和泊松比：平台所选用钢材的弹性模量和泊松比分别为2.06（单位为N/）和0.3，菜单路径 “Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic input EX：2.06e11， PRXY：0.3 OK”定义材料的密度：钢材的密度为7800kg/，菜单路径为“Preprocessor Material Props Material Models Structural Densityinput DENS：7800 OK”定义water table：根据所给出的环境条件，创建water table表格。相关参数如下：KWAVE(波浪理论)2DEPTH（水深）DENSW（海水密度）w（波向角） 151028-定义海流：Z(j)（海流深度）W(j)（海流速度）d(j)（流向角）上层：01.56-中层：7.51.35-底层：151.12- 定义波浪：A(i)（波高）(i)（周期）(i)（相位角）4.58.6 其中，为了保守起见，d(j)（流向角）和w（波向角）取同样大小，两者的基线均为X轴正向。Water table 相关说明Pipe 59单元波浪载荷计算有四种波浪理论（KWAVE）可供选择，见表5.6：表5-6 波浪理论选项波浪理论选项（KWAVE）相应的波浪理论0深度衰减经验修正的微幅波理论1Airy波理论2Stokes五阶波理论3流函数波浪理论）定义重力加速度菜单路径为“Solution Define Loads Apply Structural Inertia Gravity Global”，在ACELZ（Z向加速度）项中填入9.8。）划分网格把单元类型赋给几何模型对于导管架、桩腿、以及甲板主梁，选择“Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) lines： Set ”，拾取相应的线定义属性。对于质量点单元，选择“Preprocessor Meshing Mesh Tool(Size Controls) key pionts： Set ”定义属性。选择自由网格划分在“Mesh Tool”对话框中，选择复选框Smart Size，激活其下的滚动条，调整划分网格的精度为“6”。选择“mush”分别对点和线进行网格划分。）施加边界条件菜单路径“Solution Define Loads Apply Structural Displacement On key pionts ”，拾取模型最下面的四点，定义为固支，即UX=UY=UZ=ROTX=ROTY=ROTZ=0.注：模型将桩腿简化为泥面以下6倍桩径固支。最终生成模型如图5.6：图5.6 平台模型第六章 平台静力分析 6.1 平台位移使用ANSYS结构分析软件4.5节中各工况进行结构静力分析，由后处理器可输出结构位移和应力。各工况平台最大节点位移见下表，各工况位移图见下。表6.1 各工况下结构最大位移（m）工况载荷及方向X-方向位移Y-方向位移合位移风浪流工况1风0浪0流00.0099360.0017260.01362风浪流工况2风90浪90流900.0047410.0060540.010887风冰流工况3风0冰0流00.0556280.0088820.0581风冰流工况4风90冰90流900.0010120.0595780.059827风冰流工况5风0冰90流900.054150.0103320.056475风冰流工况6风90冰0流00.0542650.0099930.056425各工况位移图如下：图6.1 风浪流工况1风0浪0流0）位移云图图6.2 风浪流工况2风90浪90流90）位移云图图6.3 风冰流工况3风0冰0流0）位移云图图6.4 风冰流工况4风90冰90流90）位移云图图6.5 风冰流工况5风0冰90流90）位移云图图6.6 风冰流工况6风90冰0流0）位移云图由以上结论可得：平台顶部最大X向位移发生在风冰流工况3风0冰0流0情况下，最大X位移为 5.5628cm平台顶部最大Y向位移发生在风冰流工况4风90冰90流90情况下，最大Y位移为 5.9578cm平台顶部最大合位移发生在风冰流工况4风90冰90流90情况下，最大合位移为 5.9827cm6.2 结构强度校核使用ANSYS结构分析软件可对平台的各工况进行结构静力分析，后处理器可输出结构位移和应力。各工况平台最大单元应力见下表，各工况应力云图见下。表6.2 各工况平台最大单元应力工况载荷及方向最大应力风浪流工况1风0浪0流00.308E+08风浪流工况2风90浪90流900.287E+08风冰流工况3风0冰0流00.107E+09风冰流工况4风90冰90流900.130E+09风冰流工况5风0冰90流900.103E+09风冰流工况6风90冰0流00.105E+09各工况位移图如下：图6.7 风浪流工况1风0浪0流0）应力云图图6.8 风浪流工况2风90浪90流90）应力云图图6.9 风冰流工况3 风0冰0流0）应力云图图6.10 风冰流工况4 风90冰90流90）应力云图图6.11 风冰流工况5风0冰90流90）应力云图图6.12 风冰流工况6 风90冰0流0）应力云图综上可以看出，最大的应力出现在风冰流工况4 风90冰90 流90时候，出现在上层斜撑的顶端部位，最大应力为130MPa，钢材屈服强度315MPa，一般情况下考虑到结构安全系数，钢材所能承受的应力约为原屈服强度的0.6倍，3150.6=189, 130189，该设计满足50年重现期极端海况的要求。第七章 平台动力分析平台7.1 模态分析利用ANSYS的模态分析功能可对平台进行模态分析，得到该平台的自振频率和振型。模态计算结果： * INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE * SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 1.4330 1 1 1 2 1.4907 1 2 2 3 1.6459 1 3 3 4 4.4678 1 4 4 5 5.5967 1 5 5 6 5.8047 1 6 6各阶模态振型如下：图7.1 一阶模态（Y向振动）图7.2 二阶模态：（ X向振动）图7.3 三阶模态（绕Z轴方向振动）7.2 平台动力响应分析7.2.1 阻尼系数、求解Rayleigh阻尼简单方便，因而在结构动力分析中得到广泛运用，Rayleigh阻尼假设结构的阻尼矩阵是质量矩阵和刚度矩阵的组合，即式7.1其中和是两个比例系数，分别具有和的量纲。式7.2即 式中、为结构的一阶和二阶（或三阶）自振频率一般情况下，该类导管架的振型阻尼比取2所以1=2f1=23.14159261.433=9.00382=2f2=23.14159261.4907=9.3663则=2121+2=29.00389.36630.029.0038+9.3663=0.1836=21+2=20.029.0038+903663=0.0022将计算所得结果填入ANSYS程序，进行动力学分析。7.2.2 动力计算（瞬态计算）结果利用ANSYS的瞬态动力学分析功能对平台进行波浪载荷的动力学分析，得到平台的波浪载荷动力响应值，对于波浪载荷的瞬态动力分析，取平台顶部边缘某节点332进行平台动力响应分析。波浪从X向入射时的计算结果如下：图7.4 332节点X向的位移时程曲线（X轴单位为s，Y轴单位为m）图7.5 332节点Y向的位移时程曲线（X轴单位为s，Y轴单位为m）结论： 图7.4显示，在波浪载荷作用下，平台的最大位移为1.8cm，稳定状态下大约为1cm。图7.5曲线为Y向位移时程曲线，对比两图可看出不同方向的位移值不在同一数量级上，由此可见，结构在动力响应中，载荷的作用起了相当可观的作用。7.2.3 动力计算结果（地震响应）清空水表，对平台模型输入地震X,Y,Z方向的加速度，进行瞬态分析求解，进入时间后处理，读取响应，计算结果分别如下：图7.6 332节点X方向位移时程曲线图7.7 332节点X方向速度时程曲线图7.8 332节点X方向加速度时程曲线图7.9 332节点Y方向位移时程曲线图7.10 332节点Y方向速度时程曲线图7.11 332节点Y方向加速度时程曲线图7.12 导管架底部117节点所受应力时程曲线根距应力时程曲线分析，在该地震波的作用下，危险作用点所受最大应力约为66MPa，低于钢材的屈服强度315MPa，设计满足安全需求。第八章 桩基承载校核8.1 轴向承载力校核桩在轴向承载力作用下可能发生的破坏情况通常有两种，在桩外侧土壤提供的摩擦阻力或者桩底部土壤的支撑阻力过小；或桩本身的强度不足。在进行导管架结构静力分析和强度与稳定性校核时，已经验证此平台桩基嵌固点以上部