（机械工程专业论文）lcom平台顶升相关技术研究.pdf

摘要 导管架平台是当今海洋石油开发是应用最为广泛的平台，桩基承受平台上部 的所有载荷。尽管导管架平台在设计时，已经详细分析了所处海域土壤特性和桩 基承载能力要求，但由于海洋环境较为复杂，影响因素众多，导管架平台仍存在 着桩基沉降的问题有待解决。 结合印尼l c o m 平台实际状况，本文设计了一套平台项升机构，以实现 l c o m 平台的顶升。首先在详细分析平台载荷，并考虑平台下部空间，采用三维 c a d 建模软件p r o e n g i n e e r 进行上下承台和套筒的设计。然后采用流行的有 限元分析软件a n s y s 对结构进行静力学分析，确定其应力应变均在安全范围内， 并根据分析结果改进顶升机构。最后设计出一整套的平台项升方案。 关键词：导管架平台；顶升；结构设计；a n s y s r e s e a r c ho nt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e so fp l a t f o r m s d e c k r a i s i n gi ni n d o n e s i a l i ux i a o f e n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t j a c k e tp l a t f o r mi st h em o s tg e n e r a lp l a t f o r mi no f f s h o r eo i le x p l o i t a t i o n w i 也 a l ll o a d so ft o pp l a t f o r ma p p l y i n go nt h ef o u n d a t i o np i l e s e v e nt h o u g hw eh a v e a n a l y z e ds u r r o u n d i n gw a t e r s s o i lc h a r a c t e r i s t i ca n dr e q u i r e m e n to ff o u n d a t i o np i l e s c a r r y i n gc a p a c i t y , j a c k e tp l a t f o r m ss t i l lh a v et h ep r o b l e mo ff o u n d a t i o ns e t t l e m e n t w i t hm a n ya f f e c to fc o m p l e xo c e a ne n v i r o n m e n t c o m p o s i f i n gl c o mp l a t f o r ma c t u a ls i t u a t i o no fi n d o n e s i a , t h i sp a p e rd e s i g na s e to fp l a t f o r ml i f t i n gm e c h a n i s mt ol i f tl c o mp l a t f o r m a tf i r s tw ed e s i g nt o p p l a t f o r m ，l o wp l a t f o r ma n ds l e e v eb yp r o e n g i n e e ra f t e ra n a l y z i n gp l a t f o r m l o a dd e t a i l e da n dc o n s i d e r i n gl o wp a c eo fp l a t f o r m a n dt h e nw ed os t r u c t u r e s s t a t i c sa n a l y z i n gb ya n s y s ，t om a k es u l es t r e s sa n ds t r a i ni sw i t h i ns a f e t ym a r g i n t oi m p r o v el i f t i n gs t r u c t u r eb a s e do na n a l y s i sr e s u l t a tl a s tw ed e s i g naf u l ls e to f p l a t f o r ml i f t i n gp r o g r a m k e yw o r d s ：j a c k e tp l a t f o r m ；l i f t i n gm e c h a n i s m ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；a n s y s 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 第一章海洋平台介绍以及研究的目的意义 1 1 选题背景及海洋平台简介 据探测，目前世界上超过1 3 的近海大陆架地区已经探测出石油或天然气， 尤其西亚、美国、欧洲、及中国的各大海湾和和其他近海地区油气资源都十分 丰富，是海洋石油资源开发的重要活动场所。我国海岸线广阔，油气资源丰富， 加强海上油田的开采可以大大缓解我国的能源压力6 1 。 开发海上油田，需要钻井和采油的海上平台。海上平台是主要用于钻井和 采油的海上大型结构。海洋平台是海洋尤其资源勘察开发的不可或缺的设备， 平台上可以安装钻井、采油及生活设施，供工人们施工和日常生活使用。按其 可否移动，可以分为移动式和固定式两大类。详细分类如下： ( 1 ) 移动式平台：自升式平台、坐底式平台、钻井船、张力腿式平台、牵索塔 式平台、半潜式平台。 ( 2 ) 固定式平台：深水顺应塔式平台、混凝土重力式平台、导管架式平台。 1 1 1 移动式平台 1 ) 坐底式平台 坐底式平台适用水域较浅，通常不超过3 0 m 。其主要结构分为两大部分， 上船体是工作区域，用于安装甲板，甲板上放置钻井采油设备或者作为工作人 员的生活区域，坐底式平台在平台尾部开口，并通过悬臂结构钻井；坐底式平 台的下船体是沉垫，沉垫置于海底支撑整个平台，平台沉垫也可用于储油，国 内正在就此方面进行研究。上下船体间由导管架相连。坐底式平台由驳船牵引 至作业地点后需要对沉垫进行灌水，直至浮力小于平台重力和注入水的总重， 平台就会坐于海底。由于只靠沉垫坐于海底，没有进行打桩或抛锚等固定，因 此该平台稳定性较差，并且受到海底土壤情况的严重制约，造成平台作业水深 有限，发展前景不明朗。我国胜利油田等位于渤海海域的浅海油田大陆架结构 坡度较小，适宜采用坐底式平台，因此对我国来说，坐底式平台有一定的发展 前途。坐底式平台的优势在于其可移动性( 相比导管架式平台而言) ，且其坐底 第一章海洋平台介绍以及研究的目的意义 式可以采取一定措施防止平台滑移，例如在沉垫中央部位填砂石等。平台需要 移位时，就排出沉垫中压载的海水，浮起后由驳船拖走。 2 洎升式平台 自升式钻井平台由平台、桩腿和升降机构组成，平台不能自主移动，但可 以沿桩腿上下移动。到达工作地点时，平台放下桩腿，并对其预先施加压力， 使桩腿插入海床，并且顶起平台，直到平台离开海平面，并且与海平面之间的 气隙处于安全范围内，这样可以保证自升式平台的稳定性。平台在钻井作业完 成之后，就沿着桩腿降下平台，使其浮于水面，继续加载使桩腿从海底抽出， 并且上升到一定高度，再由驳船拖至新的工作地点。世界上第一座自升式平台 于1 9 5 3 年在美国建成，自此以后，自升式平台因为其良好的适应性，迅速发展， 目前已经在移动式平台中占有一半左右。 3 ) 钻井船 钻井船通常是由旧船进行改造而成，将天车、游车、水龙头、绞车等钻井 设备安装在船体上形成新的浮式钻井设备。是在船体上安装了钻井设备而形成 的浮式钻井平台。钻井船位于海面，由于船体结构和不能靠桩基定位，因此波 浪的大小会对钻井船造成巨大影响，其稳定性较差，因此准确的定位是其钻井 时的关键。钻井船通常采用锚泊定位系统，锚泊锁链可以吸收动载荷，使用水 深较浅。若风浪较大或水深较深时可以辅以动力定位，动力定位的缺点是耗能 严重，不经济。由此可见钻井船适用于风浪较小的海域。钻井船优势在于移动 灵活，自航能力强，因此当前钻井船动力定位系统开发日益得到重视，钻井船 也向大型化、稳定化发展。目前我国还没有钻井船投入使用。 4 ) 半潜式钻井平台 半潜式钻井平台工作时平台下部浸没与海水中，上部甲板与水面之间气隙 保持在安全范围内。半潜式平台工作水深大约1 0 0 0 m ，通常采用锚泊定位或动 力定位，动力定位更加适用于深海钻井。平台的下部通常为两个沉淀箱，通过 支撑结构与上船体相连。半潜式平台的有点在于稳定性好、工作水深较深且移 动灵活。但建造半潜式平台费用巨大，投资较高，半潜式平台多为美国石油公 司拥有。我国拥有自主知识产权的半潜式平台海洋石油9 8 1 已于2 0 1 1 年5 月 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 2 6 号正式试航，这对我国海洋工程设备制造具有重大意义和深远影响。 5 ) 张力腿式钻井平台 张力腿式钻井平台通常也是采用锚泊定位，采用桩将钢索下端打入水底， 但其所用锚泊与钻井船和半潜式平台不同，其锚链加预紧力使其张紧，用于平 衡平台的剩余浮力。由于海洋波浪峰谷变化会引起平台所受浮力不同，因此张 力腿式平台的实际必须考虑不同情况下的载荷。 1 1 2 固定平台 1 ) 混凝土重力式平台 混凝土重力式平台与桩基平台不同，它不靠桩基固定于海底，而是依靠自 身的重力坐于海底，其基础部分由钢筋混凝土支撑，可以直接置于海底，不需 要打桩固定。这样就要求海底土壤较为坚固。混凝土基础部分是有几个巨型混 凝土罐组成，这些混凝土罐平常可用于储存原油。混凝土重力式平台必须保证 自身重量可以抵抗环境载荷。混凝土平台最初应用于浅水区域，目前也已经广 泛应用与外海，混凝土平台可以适应由浅到深的各种水深。 混凝土平台种类繁多，设计也各不相同。但通常都有沉垫、甲板和立柱三 大部分构成。沉垫即平台的底座，既可以抵抗风浪的推力，保持平台的稳定性， 又可以作为原油储罐。 2 ) 顺应塔式平台 顺应塔式平台在海浪作用下可以围绕支点在一定角度内做轻微旋转运动， 但要在允许范围内。该平台沿高度方向的横截面一般不变。部分顺应塔式平台 用浮筒产生恢复力，同时浮筒也提供向上的力，这样就可以减轻平台的轴向压 力。 3 ) 导管架式平台 最初的海洋平台是木质结构，其结构与栈桥类似，从陆地上延伸到海里， 使用水深很浅，建造于1 8 8 7 年的美国。在第二次世界大战之后，许多先进技术 和理念开始在浅海石油开发中广泛使用，更多的科研人员开始关注海洋石油开 发。在1 9 世纪4 0 年代，美国最先设计出第一座钢制导管架平台，并且将其安 装于墨西哥湾。这对于世界范围内的海洋油气资源开采都具有重大意义，自此 3 第一章海洋平台介绍以及研究的目的意义 以后海洋石油开发得以迅猛发展。而导管架平台作为最先采用钢制结构的海洋 平台也一直受到科研人员的关注。1 9 世纪7 0 年代，其工作水深己达到3 0 0 m 。 随着材料科学的发展，以及科研人员对海洋环境研究的进一步加深，导管架平 台在过去的几十年中一直在向更深的水域发展，成为了海洋石油开发的主力军。 自第一座导管架平台建成以来，钢制导管架平台就被广泛应用于浅海大陆 架油气资源开发。平台制作成本相对较低，安装方便，结构稳定。在当今导管 架式海洋平台已经不仅用于海洋石油开发，部分已经超过服役寿命的海洋平台 还被改造成为海上观光乐园，或者供科研人员进行海洋环境研究和科学观测。 迄今为止，在世界各处工作或正在建造的导管架海洋平台已有两千余座，是应 用最广泛的海洋平台。 导管架式平台通常使用水深较浅，安装时需要将桩基打入海底，以固定平 台上部结构。导管架平台在深海领域中建造成本过高，因此应用较少。该平台 是在软土地基上应用较多的一种桩基平台，方便桩基打入海底。其优点是可事 先做成导管架形式，在岸上预制好，然后到海上进行打桩。平台的整体性好， 施工快。它的主要缺点是抗海水腐蚀性能差。所以，有的地方，曾采用过抗海 水腐蚀性能好的铝制平台，但因造价昂贵，未能普遍应用。 图1 1 导管架平台结构 f i g l 一1j a c k e tp l a t f o r ms t r u c t u r e 导管架海洋平台包括上部结构和基础结构组成。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 上部结构：平台上部结构用于放置作业设备或提供给工作人员生活设施， 包括上层平台和下层平台，两层结构直接通过支撑结构连接。甲板上布置成套 钻采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的工作、生活设施 和直升飞机升降台等。甲板的尺寸根据具体情况决定。上层平台：用作安放井 架、绞车、钻具、生活设施和直升飞机升降台等。下层平台：安放泥浆泵、泥 浆池、防喷器、发电房、固井设备、仓库等； 钻井隹井机魍块 图1 - 2 导暂架平台上部结构 f i g l 一2j a c k e tp l a t f o r ms u p e r s t r u c t u r e 基础结构( 即下部结构) 包括导管架和桩。导管架打入海底，是整个平台 的基础，用于支撑上部结构，再将桩基钉入海底时。导管架采用桁架结构，可 以将载荷平均作用与基础上。桩打入海床深处，靠侧摩擦力承受海浪和海流引 起的水平推力，并且在竖直方向上承受平台载荷。 第一章海洋平台介绍以及研究的目的意义 图1 - 3 导管架平台下部结构 f i g l 3j a c k e tp l a t f o r ms u b s t r u c t u r e 导管架平台由钢制桁架组成，钢桁架的主腿( 也称主柱) 中放置桩，因此 需要采用大直径的结构，为保证桁架的强度，导管架通常采用低合金钢焊接而 成。在打桩时，可以在导管架上部操作，桩腿沿着主腿中的空间打入海床土壤。 导管架由水平导管、斜导管和竖直导管互相支撑，加强导管架的强度，并且可 以分散载荷，使桩基受力均匀。其主腿多数为三根、四根或六根塔式导管架， 导管架平台的上部结构视水深而定。 桩通过导管中的空隙插入海床土壤，将导管架固定与海底。固桩主要分两 种形式，一种是主桩式，即只有主腿中放置桩，并打入海底。另一种是裙桩式， 即在桩基附近布置多个桩，通常是水下桩。裙桩式结构较为稳定，但打桩难度 加大。 桩基是影响导管架平台承载能力的主要因素。打入海床的钢管桩穿过柔软 的压缩性土层，把来自海洋环境引起的荷载及上部设施和设备荷载传递到更硬 或更密实的、且压缩性较小的土层中。桩基的受力主要是海浪和海流引起的水 平向推力和平台上部的竖直载荷。水平向推力由桩腿与海床土壤之间的侧摩擦 力平衡，平台载荷由海床对桩的桩端阻力平衡【5 1 。多数情况下，平台所受较为 危险的载荷是水平载荷，而侧摩擦力与桩腿和海床结合面积成正比，因此通常 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 海上导管架平台都采用深桩基础。固桩方式、平台上部载荷、海床土壤性质都 能对桩的尺寸和数量产生重大影响，设计时应具体考虑。 导管架平台桩基础，各单桩之间的间距一般都比较大，通常是桩径的5 倍 至1 0 倍，往往可忽略桩端( 尖) 压力的某些作用重叠的影响，桩基的承载能力 可简单地采用各单桩承载能力之和表示。通常情况下，桩基打入海底较深，作 用于桩腿的摩擦力可以平衡掉大部分的竖向载荷，且竖向载荷通常都在合理范 围内，所以正常情况下导管架平台不需要考虑桩基沉降问题。但由于海上环境 多变，且各地海洋土壤性质不同，仍有平台会发生沉降。 在导管架平台中，桩基础按其施工方法可分为三类：打入桩基础、钻孔灌 注桩基础、钟型桩基础。 1 2 导管架平台的沉降及顶升目的 1 2 1 导管架平台安全性问题 现役海洋平台中钢制导管架平台是在浅海和中等深度水深中应用最为普遍 的结构形式。而海洋的环境较为复杂，事故发生具有随机性，且海洋平台造价 昂贵，一旦发生事故将造成重大的经济损失。 导管架平台的受力结构一般位于几十甚至上百米水深的海底，难以检测和 维修。但由于新建平台的费用更大，从经济的角度出发，需要有新的维修技术 出现来延长导管架平台的设计寿命。当前导管架平台的一般设计寿命为1 5 2 0 年，而世界上超过1 3 的海洋平台已经超期服役。因此针对不同的导管架平台 的安全性问题，设计出有效的修复措施十分紧迫、艰巨和富有挑战性 9 1 。 通常来讲，当海洋平台遇到以下几类情况是就要重新进行安全评估以及修 复工作：因海床沉降等原因造成水面与甲板距离过小( 小于等于1 5 m ) ；存在 重大结构破坏；平台设施增加导致载荷的增加；超过设计寿命服役：由环境变 化引起的环境载荷增加。本文主要关注对第一种平台安全性问题的解决，提出 的方案是进行平台的顶升，以延长平台的使用寿命，解决导管架平台的沉降问 题。 7 第一章海洋平台介绍以及研究的目的意义 1 2 2 导管架平台的沉降 海洋平台离陆地较远，所要经受的外界环境十分恶劣，如大风、海浪、海水 侵蚀等，因而风险性较陆地平台更大。导管架海洋平台通过下部桩基插入海床， 桩基承载平台上部所有的载荷，为了保证其有足够的承载能力，在设计导管架 平台时，需要详细分析平台所处海域土壤特性和桩基承载能力要求，结合试验 和计算，对桩基承载能力力进行设计分析。但由于海洋环境较为复杂，影响因素 众多，导管架平台仍然存在着桩基沉降的问题有待解决。 土壤变形是导管架平台会发生沉降的首要原因。土壤压缩变形特征是非线 性和不稳定性，这主要是土壤的类型和成分决定的。对土壤加以竖向荷载作用 时，土壤会因压缩而产生变形，当该竖向荷载小于某一额定数值时，土壤变形 量与竖向荷载的大小基本呈现线性关系；而随着荷载的增加，载荷数值越来越 逼近临界载荷值，被压缩的土壤与附近的土壤之间的剪力差将逐渐增大，一旦 载荷超过临界载荷值时，导致土壤各层之间产生剪切破坏，土壤的承载能力迅 速降低。因此导管架海洋平台的沉降主要表现在两个方面：一种是由于平台荷 载过大，使海床土壤产生压缩变形，引起平台桩基过大的沉降量，导致平台与 海面过于接近；另一种是较为严重的情况，由于单桩荷载过大，超过了桩基下 海床土壤的极限承载能力，从而产生了巨大的沉降量，这种沉降后果较为严重， 造成平台的倾斜，甚至引发倾覆的危险。 1 2 3 导管架平台顶升的目的 气隙是波浪表面到平台下甲板下表面的垂直距离，海洋平台正常工作时， 应与海平面保持一定的气隙，以防止海浪对生产设备及工人的正常作业和生活 产生影响。过小的气隙会造成波浪抨击，进而引起结构破坏，甚至使平台倾覆， 若海洋平台沉降较为严重，则需要采取一定的修复措施，即进行平台顶升。以 使其能够继续正常工作。 国内外的部分导管架平台由于建设较早和海床土壤类型和构成的影响，现 已发生较为显著的沉降现象。然而油田尚有剩余储量，为充分利用油田，使其 有更好的经济性，需要对现有导管架平台进行项升，以使平台与海平面之间的 气隙保持在安全范围。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 1 3l c o m 平台顶升简介 1 3 1l c o m 平台顶升背景 l i m a 集油站位于印尼首都雅加达东北部月1 0 0 英里的爪哇海，主要设备都 安装于1 9 7 3 1 9 7 4 年，现己发生显著沉降现象，现在平台与海平面之间的气隙 已经大幅下降，平台工作也因此受到影响。 最近的沉降研究显示，到2 0 1 2 年利马集油站就不能够保证安全工作，因此 需要一个永久的长期有效的解决方案来提升主平台和设备，以此保证利马集油 站安全工作到2 0 2 6 年甚至更久，以便更好的利用该油田的剩余储量。 沉降研究显示l i m a 集油站的沉降高度约为3 1 m ，平均沉降速率约为0 1 5 m 年。 l i m a 集油站包括四个平台：l c o m ，l s e r ，l p r o ，l a 。其中l c o m 是最大 的平台，其顶升结构设计也最为困难。 图1 4 利马集油站 f i g l - 4l i m ao i lg a t h e r i n gs t a t i o n 1 3 2l c o m 平台顶升目标 利马集油站沉降修复工程目标在于通过一个性价比高、经济可行、技术与 操作可行的方案使利马油田剩余储量利益最大化。该项目要求如下： 1 ) 项目必须满足安全性能要求和印度尼西亚政府技术安全条例。 2 ) 项目必须能为工人提供一个安全的工作环境，为公司资产提供有效保 障。 3 ) 项目需要满足经济适用性，在2 0 1 2 年或2 0 1 3 年初完工。 q 第一章海洋平台介绍以及研究的目的意义 1 4 本文的主要研究内容 图1 5l o o m 平台 f i g l 5l c o mp l a t f o r m 导管架平台的工作环境恶劣，导管架平台下部桩基承受着平台上部所有载 荷，由于平台上部载荷过大以及海床土壤性质的影响会导致导管架平台的沉降， 不能正常工作。因此现在亟需一种导管架平台修复措施能使平台继续正常工作， 防止作业事故发生，规避风险。 本文的主要目的是设计出一套平台顶升设备，并利用有限元分析对其进行 优化设计，最终制定出一套完整的平台顶升方案，为已发生桩基沉降的导管架 平台提供一种有效的修复方案。本文主要设计以下几个方面： 1 ) 平台顶升结构的设计 由于需要采用液压油缸进行平台顶升，因此需要为液压油缸设计一套承重 设备，可以是桁架或是上下承重台。设计过程采用当前流行的三维设计软件 p r o e n g i n e e r ，设计完成后需要用a n s y s 验证其安全性。 2 ) 平台顶升结构的有限元分析 由于项升结构较为复杂，理论分析很难完成，因此采用有限单元法分析计 算。论文中采用大型有限元软件a n s y s 计算，并通过对计算结果的分析，对 一 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 - 二= 二二= 二= 二= ：一一一一一一一 平台顶升结构进行优化设计。 3 ) 项升方案的具体设计 项升结构设计完成后，需要对具体顶升步骤进行详细分析，制定项升计划。 第二章l c o m 平台顶升结构的结构设计 第二章l c o m 平台顶升结构的结构设计 2 1p r o e n g i n h 珉软件概述 2 1 1p r o e n g i n e e r 的起源 p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，p t c ) 开发的机械产品设计软件。p t c 成立于19 8 5 年，开始参数化 建模研究，1 9 8 8 年发布p r o e n g 烈e e r1 o ，这是市场上第一个采用基于特征 的参数化技术、全相关技术等先进理念的实体建模软件，从此三维设计软件进 入参数化时代。 p r o e n g i n e e r 凭借其领先的技术优势在后来的十几年内迅速发展称为 流行的产品三维设计领域高端软件，在产品设计软件销售市场上一直处于前列， 已经成为三维建模软件的领头羊。 2 1 2p r o e n g i n e e r 的主要特点 p r o e n g i n e e r 发布时间相对较晚，因此有多种已有的三维建模软件做参 考，其本身也借鉴了一些先进技术和理论。主要特点如下： 1 ) p r o e n g i n e e r 首先采用了基于特征的参数化建模技术 参数是附属在模型上的信息，可以表示模型的不同属性。在 p r o e n g i n e e r 中参数可以控制特征的尺寸及其他属性。而特征是模型的基本 组成单位，建模的过程其实就是通过参数定义一个个特征的过程，因此也成为 参数化建模技术。p r o e n g i n e e r 还提供很多基于特征的建模功能，例如倒角、 抽壳等，这些技术的应用大大方便了设计者，给设计者带来前所未有的全新设 计体验。当建模出现错误时，可以直接修改参数以达到修改模型的结果。 2 ) p r 0 忸n g 脏e r n g i n e e r 首次提出了单一数据库、全相关等概念 多数传统的c a d 系统是建立在多个数据库的基础上的，装配图、工程图和 零件图的数据库各不相同，这样在互相调用时就会产生很大的不便。 p r o e n g i n e e r 提出的单一数据库理念在更大程度上方便了设计者，所有的建 模模型都建立在单个零件数据库的基础上。也就是说无论在装配图还是工程图 中，其参数和数据均来自与零件数据库。如果单个零件的参数发生变化，对装 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 配图或工程图进行重生成，则其中所采用零件的尺寸也会随之改变。因此在 p r o e n g 矾e e r 中零件图、装配图和工程图互相相关，这就是所谓的“全相关”。 这种数据结构形式保证了数据的准确性和传递性。让设计者不必为修改尺寸耗 费太多精力。 3 ) p r o e n g n e e r 软件的硬件独立性 p r o e n g i n e e r 开发初期就建立在工作站上，使系统独立与硬件，能够有 效的管理和统一各种环境上的差异，可以方便地让信息在不同的机器之间转换。 p r o e n g i n e e r 可以应用在包括d e c 、m 、m m 、s u n 和s g i 等几十种不同 的工作站和几乎所有的微型计算机等硬件系统上，在u n i x ，w i n d o w s 等多种 操作系统软件平台上执行，并在每个系统维持相同的界面。 2 2 平台顶升方案初步设计 进行平台项升方案的设计首先要决定采取什么样的顶升结构，平台项升必 然要将桩腿割断，采用油缸进行顶升。这样就要求在项升过程中的安全性，顶 升机构必须保证平台在项升过程中竖直向上运动，若在顶升过程中油缸不能保 证完全同步运动，可以靠顶升机构定向。这样我们就初步确定项升是要采用套 筒结构来保持平台顶升过程中的方向性，同时套筒结构可以在顶升动作结束后 直接焊接到桩腿上与桩腿成为一体。 其次是我们要确定承重结构。首先我们考虑到较为简单的桁架结构，桁架 设计过程较为简单，但是由于平台尺寸过大，且平台载荷也很大，采用桁架结 构会导致尺寸较大，难以安装。因此考虑在每一个桩腿部位安装一个承台，承 台采用对称设计，避免产生多余力矩。 本次平台项升方案要达到使平台项升4 m 的目的，以使l c o m 平台能够继 续安全工作。平台项升需要切断桩腿，液压油缸将上部平台举起。因此需要设 计上下承台各4 个，套筒各4 套，并且选用相应配套的油缸。 在这个结构中，上承台和下承台的结构尺寸是设计的关键。承台尺寸必须 满足在导管架上层甲板和上部平台底层甲板之间有足够的空间放置油缸和套 筒。 在整个平台项升的过程中，设计的每个桩腿的结构图如图2 1 所示： 第二章l c o m 平台顶升结构的结构设计 v f l ( i - m 3 了 | li 么 铲 v 己】1 5 snv 2 4 柏芒o 8 i 用 u p p e rb e a r n f , p l a t f o 刚4 b l 。+ ：3 nv 。：，妄 j n 腋、 、 l ll i ： 塑 - 处 u 1s l 旺 一 霪 _ s t 6 i 洲 o jr 辍 糖 l ( + ) 5 3 1 “ 5 7 n一 f w1 义m厂 7v 2 4 x 7 6 hh ，瓤i 1 上承台2 油缸3 套筒4 下承台 2 1 桩腿顶升结构图 1 一 f i 醇一1 2 3 上下承台设计 2 3 1 承台基本尺寸设计 首先，假设第一次顶升的高度是2 米，这种情况下套筒的尺寸就不得低于 2 4 米。在平台中，工作点( 聊) 距离底层甲板h 型钢上表面的尺寸 是米，导管架横梁距离底层甲板h 型钢上表面的尺寸是5 米。h 型 钢的高度是米。如果将上承台搭建在工作点以上，经过计算上 下承台的总尺寸不得高于米，空间过小。 经过反复建模和验证的情况，认为下承台可搭建在工作点以下，这样可以 将中间的空间更多的留给上承台的设计。工作点距离导管架底层横梁的尺寸是 1 3 米，这样上下承台的高度就得以基本确定：上承台的高度不得高于0 6 米， 下层台的高度不得高于1 3 米。 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 2 3 2 承台的基本载荷 上下承台在顶升的过程中，主要承受平台的重力，液压缸、液压站、液压 管线和操作人员引起的压力。 l c o m 平台自身的重量是1 5 0 0 吨，一侧栈桥的重量是1 0 0 吨，每个液压 缸重是5 吨，一共3 2 个液压缸，液压站和液压管线以及人员的总重估计为4 0 吨，底部承台需要承受的重量是1 8 0 0 吨，( 每个桩腿承受4 5 0 吨) 上部承台承 受的重量是1 6 0 0 吨( 每个桩腿承受4 0 0 吨) 。为了安全起见，我们将底部承台 可承受的重量定位3 6 0 0 吨，上部承台可承受重量为3 2 0 0 吨，( 即安全系数是2 ) 这样就算是重量都压在一侧的两个承台上，也可以满足要求。 2 3 3 下承台结构设计 承台主要功能是承受平台及顶升设备的重量，且平台需要分两次进行项升， 因此承台主要承重部位设计为十字形。承台横向部分用来放置短油缸进行初步 项升，纵向用来放置长油缸进行第二部项升。为加强承台承重能力，需要对承 台添加加强筋。承台的承重面和加强筋均选用6 0 m m 钢板，易于采购和；0 n - r 。 承重面上钻螺纹孔，以便项升时固定油缸。 为方便承台顺利安装到桩腿上，承台需要分为4 部分制造，最终靠全熔焊 焊接称为一体。承台孔径与桩腿外径相同。 平台设计过程中需要考虑承重面的尺寸，筋板位置及数量等问题。设计过 程中结合a n s y s 分析，可以找出应力应变较大，甚至有破坏危险的局部区域。 这样我们就需要进行再次设计，并有针对性的对局部区域进行强化。 经过不断的尝试和验证，我们最终将下承台的结构外形设计为如图2 、3 所示： 第二章l c o m 平台项升结构的结构设计 一 广。 c 图2 - 2 下承台的主视图和俯视图 f i 薛- ll o wb e a r i n gp l a t f o r mf r o n tv i e wa n dt o pv i e w 1 6 c 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 一i ：j 童喜叠z ： 4 、! 二二 “? 一。一譬二 。h。：二 ： 谨-，； 图2 3 下承台三维图 f i 9 2 3l o wb e a r i n gp l a t f o r mg r a p h i cm o d e l 2 3 4 上承台结构设计 上承台设计参考下承台，同样采用6 0 m m 钢板，以及加强筋为主要承重结 构。但上承台设计过程中也有不同于下承台的问题。 虽然上承台所承受的载荷较下承台小，但由于上承台尺寸较小，如果仅采 用与下承台相同的尺寸设计，其加强筋的高度仅为下承台的一半左右。经过建 模并分析过后得出结论，采用同样的结构，上承台承重能力不足。 此时我们可以考虑再加一层加强筋结构，此时上层加强筋结构要注意避开 平台横梁。最终通过应力应变分析验证，此结构承重能力可以满足平台顶升要 求。 最终设计结构图如下： 第二章l c 0 m 平台顶升结构的结构设计 v 2 1 米5 5 l v 2 4 米1 2 0 一 )乎0 万 飞帕 叁 f ff j8 0 ，j8 0 呈 _ _ _ - - 一 ： ，- r、 、l 、 u _ ， 1|f -j 口 ￥1 l-ii瓢 b i l 。山 囊吨 d j l o 7 il 、 l 3 546 、 ，丁 图2 4 上承台的主视图和俯视图 f i 醇- 4u pb e a r i n gp l a t f o r mf r o n tv i e wa n dt o pv i e w 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 2 4 套筒结构设计 图2 5 上承台三维图 f i 9 2 5u pb e a r i n gp l a t f o r mg r a p h i cm o d e l 平台顶升距离为4 m ，项升过程分为两次进行。套筒与桩腿上部进行焊接。 与桩腿搭接距离确定为1 0 0 m m ，下部在桩腿外部滑动，与桩腿搭接距离为 3 0 0 r a m 。所以经过计算确定为第一段套筒长度为2 4 m ，第二段套筒长度为2 o m ， 第二节套筒预留一段，焊接时与第一节套筒交叠。套筒壁厚为4 0 m m 。套筒结 构图如图2 - 6 所示： 1 9 第二章l c o m 平台项升结构的结构设计 图2 - 6 套筒结构图 f i 醇一6s l e e v es t r u c t u r e 2 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士毕业论文 第三章l c o m 顶升结构的有限元分析 3 1 有限元法基础及a n s y s 简介 3 1 1 有限元法基础 有限元法是将原来为连续求解域的工程系统，用多个小单元来分割，转换 为相似的有限元系统，这些单元里包含近似函数来表示求解域上的未知函数， 这些系统由点、线、体和单元组成，这样就取代了原来的系统f 2 8 1 。这样就用有 限个单元将连续体的工程系统离散化，并根据数学函数，对该工程系统进行解 答。有限元模型还需要包括载荷、约束及边界条件等，这样才能建立完整的模 型。 现在距c l o u g h 第一次提出“有限元法”已有5 0 年，在这短短的几十年中有 限元法由于其准确度高、可适性好及通用性强的特点，已经有许多专业、大型 的程序可以供机械、航空等工程设计使用，其应用范围十分广泛。结合计算机 辅助设计技术，有限元法已经成为机械设计的重要工具，大量的应用于计算机 辅助制造中。尤其当今电子计算机技术飞速发展，软件和硬件基础有大幅的提 高，这样就为基于有限元法的程序的发展提供了更好的机遇和前景。 3 1 2a n s y s 概述 a n s y s 是目前世界上最流行、使用范围最广的有限元分析软件之一， a n s y s 公司是在1 9 7 0 年由美国j o h ns w a n s o n 博士创办，之后开发出了a n s y s 有限元分析软件，经过几十年的发展，现在已经占领大部分的国际市场。a n s y s 的主要应用领域是工程分析，工程领域中，许多机械结构造型复杂，受外力及 约束条件、边界条件都相当多，通常是无法通过理论进行分析解答。因此必须 要采用数值的方法对其进行简化分析，a n s y s 基于有限元思想的基础可以将 机械机构划分成微小单元，将连续体的结构离散化，从而实现数值可解。 a n s y s 软件有多种c a d 软件借口，可以方便的多种流行的现代设计软件 实现数据的共享。这样更扩大了a n s y s 的使用范围，是用a n s y s 可以简化 工程问题，提高经济效益，使机械、航空、土木等领域的设计工作更加简便快 捷。a n s y s 在现代产品研发中占优重要地位，涉及的范围主要包括：高级分 第三章l c o m 项升结构的有限元分析 析、网格划分、优化设计、多物理场和多体动力学。 a n s y s 软件是国际流行的大型通用商业有限元分析软件，现已更新到1 4 0 的版本，与以往版本相比，a n s y s 现在界面更加友好、建模更加方便、求解 更加快捷。它可以对实体进行有限元划分以模拟结构、热、流体、电磁、声学 等领域的各种复杂物理现象，并对其进行求解。在最近4 0 年间，a n s y s 公司 一直致力与仿真技术的开发，以此来解决工程难题，a n s y s 的发展为成千上 万的工程师队伍和企业提供了强大的技术支持。在不断的完善中a n s y s 形成 了较为典型的分析步骤：前处理，求解，后处理，它将有限元分析与计算机图 形学有效的结合起来，成为机械工程师的首选的有限元分析软件。a n s y s 拥 有包括美国机械师工程师协会在内的2 0 多个技术协会的认证，在国内是使用范 围最广的有限元分析软件。 3 1 3a n s y s 的主要功能 a n s y s 提供的分析类型主要有以下几种： 1 ) 结构分析 用于分析实体结构的变形、应力、应变和反力等。结构分析包括静力分析、 动力学分析、其他结构分析、用a n s y s l s d y n a 进行显式动力学分析。 静力分析用于载荷不随着时间变化的场合，是机械专业应用最多的一种分 析类型。a n s y s 的静力分析不仅可以进行线性分析，还支持非线性分析，例 如接触、塑性变形、蠕变、大变形、大应变问题的分析。 动力学分析主要包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析。模态分析 用于确定设计机构的振动特性。模态分析属于线性分析，可以确定部件的固有 频率和振型，他们是结构设计中的重要参数。谐响应分析也是一种线性分析， 用于确定结构在正弦载荷作用下的稳态相应。瞬态动力学分析，用于计算结构 对相对时间无规律的载荷的响应，其中惯性力和阻尼对分析影响较大，而且可 以瞬态动力学分析可以包含非线性特性。 a n s y s l s d y n a 进行显示动力学分析能够分析各种复杂几何非线性、材 料非线性问题，特别适合求解高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力学问题。 其他结构分析功能包括谱分析、随机振动分析、特征值屈曲分析、子结构、 子模型技术。 中国石油大学( 华东) - r 程硕士毕业论文 2 ) 热分析 热分析用于分析系统的温度分布和热物理量参数。a n s y s 基于热平衡方 程，熟分析包括稳态传热和瞬态传热。a n s y s 对结构进行单元划分，可以计 算个节点处的温度，也可以通过这些数据推导出其他热参数。热分析通过模拟 热传导、对流和辐射三种热传递方式，以确定物体中的温度分布。可以进行稳 态和瞬态热分析，可以进行线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过 程。 3 ) 电磁场分析 a n s y s 用于电磁场分析时，有限元计算时未知量主要是磁位或通量。其 设计方面包括：电感、电容、磁通量密度等。分析的磁场可以是二维的也可以 是三维的，可以是静态的、瞬态的或谐波的，可以是低频的或高频的。还可以 解决静电学、电流传导、电路耦合等电磁场相关问题。a n s y s 还有高频电磁 分析功能，可以分析电磁传播特性。 4 ) 流体动力学分析 a n s y s 中的f l o t r a nc f d 是解决二维、三维流体动力场问题的有效工 具，可以进行牛顿流或非牛顿流、多组份传输、传热或绝热、层流或湍流、压 缩或不可压缩等问题的研究。 3 。1 。4a n s y s 解决问题的步骤 a n s y s 在漫长的发展过程中不断更新和添加新的模块，原有功能也不断 提升。与其他通用有限元软件样，a n s y s 执行一个典型的分析任务都有必 要的几个步骤： 1 1 前处理 a n s y s 为广大用户提供了强大的实体建模工具，为用户提供了两种有限 元建模方式：直接生成法和实体建模法。直接生成法先创建点和单元，适用于 较为简单的系统模型。实体建模法较为常用，先通过建模功能创建实体模型， 然后使用网格划分工具形成有限元单位。同时a n s y s 也提供了强大的网格划 分工具，主要有映射网格划分和自由网格划分，使用者可以根据自己建模的类 型、复杂程度等来自由选择，不同的网格划分会对后期求解产生不同影响。 a n s y s 的数据接口允许其从其他各种有限元软件中读取数据，进行初步建模 2 3 第三章l c o m 顶升结构的有限元分析 时可以从其他软件中导入。前处理的步骤如下： ( 1 ) 指定任务名和分析标题。任务名和标题可以使用户存储和打开文件时 更加有条理，虽然a n s y s 有默认任务名，最好还是重新对文件进行命名。 ( 2 ) 定义单位制。a n s y s 只要求输入和输出的单位保持一致，对单位并 没有特殊要求。a n s y s 默认单位制为国际标准单位制。 ( 3 ) 定义单元类型。a n s y s 提供了进2 0 0 种单元类型，用于分析梁、管 道、平面及立体图形。不同单元类型使用与不同的模型，具体选择可以参考单 元类型的特性。 ( 4 ) 定义单元实常数。不是所有的a n s y s 分析都需要定义单元实常数， 这是由单元类型决定的。例如对薄板的分析需要定义薄板厚度。单元实常数是 对模型特征的一种补充说明。 ( 5 ) 定义材料特性。a n s y s 分析时可以选择的材料特征主要有线性的、 非线性的、各向同性的、各向异性的和非弹性的、随温度变化的和不随温度变 化的等。多数情况下，a n s y s 分析都需要定义材料特性。 ( 6 ) 创建有限元模型。使用a n s y s 提供的建模工具进行有限元建模，该 步是有限元分析的基础，在一定情况下，如微小结构对整体结构影响不大时， 可以对模型进行简化，以降低分析时间，节省计算机资源。 求解 a n s y s 的求解器适用于解决不同领域的不同工程问题，它是当前唯一的 融合多物理场量的有限元分析软件。本文主要应用a n s y s 进行静力学分析。 建立有限元模型后，首先要在求解器下选择分析类型，制定分析选项( 在处理 一些简单问题时，此步可以省略) ；然后加载载荷和约束( 即各种特定激励源或 边界条件) ，指定载荷步长，然后就可以进行有限元求解。 ( 1 ) 选择分析类型选项。在a n s y s 中，我们可以把分析类型可以大体分 为分为：结构静力学分析、结构动力学分析、非线性分析、热应力分析等。 ( 2 ) 施加载荷和约束。在a n s y s 中，载荷的定义不止局限于力和力矩， 载荷还包括边界条件和激励。a n s y s 的载荷分为6 类：d o f ( 自由度) 载荷、 集中力和力矩、面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。用户可以根据自己 研究内容来重点关注某类分析对应的载荷。本文主要是进行结构静力学分析， 2 4