（船舶与海洋工程专业论文）自升式平台桩靴开孔强度的分析研究.pdf

火连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文对自升式钻井平台进行了简要阐述，并对有限元建模过程进行了介绍。本文针 对“渤海5 号 自升式钻井平台的桩靴开孔强度进行分析，利用a n s y s 建立了开孔桩 靴的有限元模型，根据不同工况下外载荷与平台自重建立了桩靴边界条件，计算了桩靴 的应力，进行强度的校何。为开孔的可行性提供了依据，可以用于桩靴开孔方案的设计 与优化。计算分析表明文中提出的开孔方案可行，结构相应满足强度要求。 关键词：自升式平台，桩靴，有限元，开孔强度 白升式平台桩靴开孔强度的分析研究 t h el o c a ls t r e n g t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs p u dc a nw i t hh o l e s o nt h ej a c ku p a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es e l f - e l e v a t i n gt y p ep l a t f o r ms i m p l ya n de x p l a i n e dh o wt ou s e t h ea n s y s p r o g r a mt of o r mt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l a n s y si su s e dt oe s t a b l i s ht h em o d e l t oc a l c u l a t et h es t r e n g t hf o rs p u dc a no p e n i n go ft h e b o h a in o 5 ”j a c ku ps e l f - e l e v a t i n g d r i l l i n gp l a t f o r m a c c o r d i n gw i t ht h ed i f f e r e n te n v i r o n m e n tc o n d i t i o na n dp l a t f o r mw e i g h t ， i te s t a b l i s h e dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o na n dc a l c u l a t e dt h es t r e s sa n dc h e c k e dt h es t r e n g t h t h i s p r e s e n t a t i o n i st op r o v i d et h eb a s i so fo p e n i n gf e a s i b i l i t ya n dt od e s i g na n dt oo p t i m i z et h e s p u dc a no p e n i n gp l a n t h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss h o w t h eo p e n i n gp l a ni nt h el i t e r a t u r ei s p r a c t i c a la n ds t r u c t u r er e s p o n s es a t i s f yt h es t r e n g t hr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p l a t f o r m , s p u dc a n ，f i n i t ee l e m e n t , s t r e n g t ho fo p e n i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、。 作者签名：多江日期：2 竺星兰l 丝 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：乏毖 导师签名：盔立翌 大连理工大学专业学位硕士学位论文 第1 章绪论 世界经济的高速发展必然带来对能源的大量需求，石油天然气仍是当前的主要能 源。我国已成为世界油气供求矛盾非常突出。我国陆地油气资源勘探开发程度现已很 高，油气资源正迅速减少。向海洋进军，开发新的油气资源已成必然趋势。我国拥有漫 长的海岸线和广阔的海域，油气资源十分丰富。在渤海、南黄海、东海、南海已有发 现并进入早期开采。随着海洋油气田的开发，越来越多的海洋平台投入使用，自升式钻 井平台由于所需钢材少，造价低，可移动性强，既可以钻井也可以采油，在各种海况下 几乎都具有持续工作、作业稳定、效率高等优点，因而广泛地做也在水深小于1 5 1 0 0 米的海域中。自升式钻井平台克服了漂浮式工程船工作不稳定的缺点，海上作业时，桩 腿立于海底，船提升到水面以上，工作非常稳定。 1 1自升式钻井平台的历史及国内发展现状 第一座自升式钻井平台“德朗1 号 ，建于1 9 5 0 年，但到了1 9 5 3 年成了一座 永久性固定式平台。第一座移动式钻井平台是1 9 5 4 年建的“滨海5 1 号。1 9 5 4 年建 的“嘎斯先生工号 是提升甲板式的自升式平台。1 9 5 5 年建造了第一座三腿自升式钻 井船“天蝎号”，首次在析架式桩腿上使用了齿条和齿轮升降系统。1 9 5 6 年滨海公司 的5 4 号钻井船在析架式桩腿上使用液压升降系统。1 9 5 7 年建的“嘎斯先生1 1 号 开 始用液压升降系统的沉垫支承式装置。1 9 6 7 年建的“德莱塞l 号开始具有自定位功 能。到1 9 7 4 年移动自升式钻井船就能在1 0 5 m 的水深作业。海上自升式钻井船在我国 海洋石油勘探开发和海上旌工作业中得到了广泛应用。我国海上油田的勘探开发起步 于7 0 年代，经过二十年的探索和努力，建成了渤海湾油田、东海气田和南海油田等三 个初具规模的海上油田，在这些海上油田的勘探、开发过程中，大多数使用了自升式 钻井平台。尤其是渤海湾油田，水深范围和地质条件特别适合自升式平台，该油田海 上钻井和修井作业主要依靠白升式钻井平台来完成。目前，我国共有2 0 多座自升式平 台，占我国移动式平台的7 0 以上，由此可见，自升式平台在我国海上油田的勘探开 发中，发挥了重要作用，占据着非常重要的地位。我国自上个世纪七十年代开始使用 的自升式平台有两部分，一部分自行设计、建造，一部分从国j l - 弓l 进，三十多年来， 尽管积累了许多宝贵的实践经验，但在基础研究、设计、建造工艺、检验和使用等方 自升式平台桩靴开孔强度的分析研究 面经验并不多，总体距国外水平还存有一定差距。近年来，高校设计研究和建造海上 平台的技术人员在平台设计和建造方面取得了一定的进展 1 2 自升式钻井平台的组成和作业范围 自升式钻井平台主要由平台结构、桩腿、升降机构、钻井装置( 包括动力设备 和起重设备) 以及生活楼等组成。平台在工作时用升降机构将平台举升到海面以上，使 之免受海浪冲击，依靠桩腿的支撑站立在海底进行钻井作业。完成任务后，降下平台到 海面，拔起桩腿并将其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位工作。桩腿是自升式钻井平 台的关键。当作业水深加大时，桩腿的长度、尺寸和质量迅速增加，作业和拖航状态的 稳性则变差。所以，自升式钻井平台最大的作业水深受到制约，作业范围限于大陆架 2 0 0 米水深以内。桩腿结构形式有柱体式( 图1 1 ) 和桁架式( 图1 2 ) 两大类。柱体式 桩腿由钢板焊接成封闭式结构，其断面有圆柱形和方箱型两种，一般用于作业水深6 0 米以下的自升式平台。水深加大，波浪载荷更大，结构质量增大，宜采用桁架式桩腿。 它由弦杆、水平支撑和斜支撑组成，在弦杆上装有齿条。桩腿可按地质条件需设置桩 靴，桩靴的平面形状有圆形、方形和多边形几种。 甲板 台 图1跚棒糖岛辫式锚井平台 图2 糨架腿矗升式钻蚌乎台 f i g l - 1c o l u m n i f o r ml e gs e l f e l e v a t i n gp l a t f o r m f i 9 2t r u s s e dl e gs e l f e l e v a t i n gp l a t f o r m 就桩腿数量而言，目前主要是3 根或4 根，3 根桩腿是自升式平台取得稳定支撑最少的 数量。当作业水深很大时，考虑到桩腿的尺寸和质量，宜采用3 根桩腿，同时减少升降 大连理工大学专业学位硕士学位论文 机构的数量；缺点是一条腿失效，平台就无法工作甚至发生险情。3 根桩腿在预压时不能 像4 根桩腿那样采用对角线交叉方式，而采用压载水，比较麻烦。中小型的自升式钻 井平台，作业水深较小，多采用4 根柱腿式桩腿，平台主体平面呈矩形；大中型平台， 作业水深较大，多采用3 根桁架式桩腿，平台柱体平面呈三角形如图( 1 - 3 ) 兰角形矩形 图1 3 自升式平台的主体平面结构 f i g1 - 3s e l f - e l e v a t i n gp l a t f o r mm a i np l a n es t r u c t u r e 1 3 自升式钻井平台的主要装置 1 3 1 船体 一 为了获得最大的甲板载荷能力，大部分自升式船的船体建成驳船型式。船的浮体呈 长方形，宽度较大，船头和船尾的底部斜削，以减少航行阻力。也有个别船为v 形船体。 1 3 2 升降装置 大多数自升式钻井平台采用齿轮一齿条升降装置，动力由液压系统提供。在自升式 钻井平台发展过程中，有两个重要的技术进步，一是将液压系统用于升降装置，二是采 用齿轮一齿条升降装置。在恶劣的海况条件下，液压齿轮一齿条升降装置不仅非常可靠， 而且经久耐用。 1 3 3 桩腿和桩靴 大多数自升式钻井平台采用圆柱形桩腿，结构简单，建造容易，造价低，适合比较 小的船。但随着技术的发展和工作水深的加大，也有较大的自升式钻井平台采用析架结 构桩腿，其优点是能够减少平台重量，提高甲板有效载荷，减少所受波浪力和风力，对 稳性有利，但造价较高。为增大对地接触面积，自升式钻井平台桩腿底端安装有桩靴， 又称大脚。宽、大、薄、倒锥形是自升式钻井平台的桩靴形状特点。这种桩靴增大了自 白升式平台桩靴开孔强度的分析研究 升式船坐底状态的对地接触面积，降低了桩靴对地比压，减小了桩靴的入泥量，使桩腿 和桩靴提升更加容易，就位和移位灵活，船的机动性和安全性高。图1 - 4 给出了自升式 钻井平台桩靴的典型形状。 善 图1 4 自升式钻井平台桩靴的典型形状 f i g1 - 4s e l f - e l e v a t i n gp l a t f o r mf o u n d a t i o nt y p i c a lf i g u r e 本文主要针对圆形桩靴基础进行研究。表1 1 列出五种最常规的国外自升式钻井 船及其桩靴的具体尺度，其中c l a s s 2 5 0 是目前世界最大等级的自升式钻井平台之一。 表1 - 1 典型的自升式钻井平台及其桩靴的尺寸 t a b l - 1t y p i c a lp l a t f o r ma n df o u n d a t i o nd i m e n s i o n s 大连理工大学专业学位硕+ 学位论文 1 3 4 吊机和甲板 吊机能力和甲板负荷是自升式钻井平台的重要性能指标，但并不是越打越好，要 根据作业工程的需要来确定。第一条自升式钻井船使用很小的吊机支持地震或测井工 作。自升式测井船c a j u n l1 c l a s s 2 8 只配有一台4 t 的吊机，甲板载荷能力为1 2 5 t ，但 这足以完成测井工作。若船的甲板吊机的吊重能力超过2 0 0 t ，就可用于打水泥塞、海 上打捞和海上结构建造工作。 1 3 5 生活设施 自升式钻井船的甲板上布置生活楼和驾驶室，有的船将一部分生活设施布置在 船体内，以减轻船体的重量，增加甲板的有效空间。现代自升式钻井船生活楼都比较 宽敞，住宿条件比较舒适。工作人员可在生活楼中完成大部分工作。 1 4 本文的主要研究内容： 1 总结自升式钻井平台的历史和发展现状。 2 简介自升式钻井平台主要设施和装置。 3 简述有限元的建模过程分析。 4 以“渤海五号”为例进行桩靴局部强度分析计算并提供报告。 自升式平台桩靴开孑l 强度的分析研究 第二章有限元的子模型建模及分析 2 1 有限元的历史及现状 2 1 1 历史： 有限元法起源于2 0 世纪5 0 年代的航空领域中飞机机构的矩阵分析，至今有5 0 多年的研究发展历史，已经具备了完整的求解策略和适合大部分情况的结算方法，发展 成熟的计算机软件系统技术。 应用领域：经过几十年的发展一功能越来越强大、应用领域越来越广 研究领域一航空航天，进入机械、桥梁土木建筑、造船等行业 研究范围传统的结构力学、固体力学、流体力学。不仅用于研究物质机械的 运动规律，还应用于研究热运动和电磁运动的规律。 研究内容一静动力分析：线性月乍线性的弹塑性分析；屈曲失稳分析；炮击与鸟 撞的动力相应分析；着陆响应分析、气弹颤振分析等。即用作强度评估，也用作用优化 设计。 有限元方法和技术已经成为当今科学与工程分析的重要方法，是计算机模拟仿 真的基本理论、设计技术的主要手段。 2 1 2 应用软件现状 近几十年来，计算机硬件技术以及大型有限元程序的发展，掀起了结构仿 真技术研究热潮。无论是国内还是国外，一些研究机构纷纷展开能够实现大型复杂结 构的线性、非线性；静力或动力乃至瞬态问题分析的综合有限元软件的研制和开发工 作。就软件功能和适用范围而言，影响程度较大的大型软件有： 1 s a p _ 一系列- - s a p 2 0 0 0 1 9 7 0 年7 月发表第一版。从最初的s p a l 开始，一直发展到比较成熟的s a p 5 ，基本 上以弹性分析为主。在上个世纪，我国工程界应用广泛，能满足工程的使用要求。 2 a d i n a 1 9 7 5 年发布第一版。非线性分析能力十分强大，在我国的科研院校应用极广，影响 很大。前后处理功能相对较弱，目前版本有所加强。 一6 一 大连理工大学专业学位硕十学位论文 3 m s cn a s t r a n 最为著名，由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托国家计算科学公司和航空系 统公司开发，1 9 7 0 年发布第一版。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上 规模最大、功能最强的有限元分析系统。 4 a b a q u s ：也属于非线性分析程序，据称具有最强大的非线性求解功能。 5 m a r c ：土的本构模型较多，主要用于计算与土有关的问题，如结 构土相互作业问题。 6 a n a y s ：1 9 7 0 年发布第一版。功能十分强大，单元类型丰富，在铁道、建筑和压 力容器方面应用较多，尤其在科研单位、设计院、院校应用较广。核心的计算部分变 化不大，但模块越来越多。a n s y s 公司成立1 9 7 0 年，是世界上有限元界最著名的公司， 总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡。a n s y s 的家族产品程序的精度、可靠性、稳定 性很好。1 9 9 5 年5 月a n s y s 在设计分析类软件中第一个也是目前为止唯一一个通过 i s 0 9 0 0 1 质量认证的软件。1 9 9 6 年进入中国，目前在北京、上海、广州、成都设立了办 事处。在中国，a n s y s 是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证，并自1 7 个 部委推广使用的分析软件。 2 2a n s y s 的简介 a n s y s 程序是一个功能强大、灵活的设计分析及优化、融结构、温度( 热) 、流 体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件。可与c a d 、c a e 软件实现数 据共享及交换，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一；可以实现产品的仿真分析， 大大缩短设计周期、降低设计成本、加快产品开发。应用范围广：可以广泛应用于核工 业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、土木工程、 造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究应用。功能强大： 包括结构高度的非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自 适应网格划分、大应变有限转动、以及利用a p d l 语言的扩张宏功能。 使用环境：w i n n t 系统 目前版本：1 0 0 a n s y s 公司为设计界提供了三大类软件产品： 自升式平台桩靴开孔强度的分析研究 一涉及多交叉学科的多物理场仿真( a n s y s m u l t i p h y s i c s ) 一智能化的快速校验及优化工具( a n s y s d e s i g n s p a c e ) 一针对某些专业领域的专用软件包 板成形专用软件包 土木工程专用软件包 疲劳及耐久性专用软件包 根据力学性质的不同，a n s y s 的结构分析分类如下： 图2 1a n s y s 结构分析分类 f i g2 - 1a n s y ss o r to fs t r u c t r u ea n a l y s i s 2 3 利用a n s y s 进行的子模块分析 2 3 1 何为子模型? 子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术。在有限元分析中往往 出现这种情况，即对于用户关心的区域，如应力集中区域，网格太疏不能得到满意的结 果，而对于这些区域之外的部分，网格密度已经足够了。见图2 - 2 大连理工人学专业学位硕士学位论文 图2 - 2 轮毂和轮辐的子模型a ) 粗糙模型，b ) 叠加的子模型 f i 9 2 2s u b m o d e lf o r h u b a n ds p o k ea ) r o u g hm o d e lb ) s u p e r p o s i t i o ns u b m o d e l 要得到这些区域的较精确的解，可以采取两种办法：( a ) 用较细的网格重新划分并 分析整个模型，或( b ) 只在关心的区域细化网格并对其分析。显而易见，方法a 太耗费 机时，方法b 即为子模型技术。 子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是子模型从整 个较粗糙的模型分割开的边界。整体模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条 件。子模型基于圣维南原理，即如果实际分布载荷被等效载荷代替以后，应力和应变只 在载荷施加的位置附近有改变。这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应，如果子 模型的位置远离应力集中位置，则子模型内就可以得到较精确的结果。 a n s y s 程序并不限制子模型分析必须为结构( 应力) 分析。子模型也可以有效地应 用于其他分析中。如在电磁分析中，可以用子模型计算感兴趣区域的电磁力。 除了能求得模型某部分的精确解以外，子模型技术还有几个优点： 它减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂的传递区域。 它使得用户可以在感兴趣的区域就不同的设计( 如不同的圆角半径) 进行分析。 它帮助用户证明网格划分是否足够细。 使用子模型的一些限制如下： 只对体单元和壳单元有效。 自升式平台桩靴开孔强度的分析研究 子模型的原理要求切割边界应远离应力集中区域。用户必须验证是否满足这个要 求。 2 3 2 如何作子模型分析 子模型分析的过程包括以下步骤： 1 生成并分析较粗糙的模型。 2 生成子模型。 3 提供切割边界插值。 4 分析子模型。 5 验证切割边界和应力集中区域的距离应足够远。 第一步：生成并分析较粗糙的模型 第一个步骤是对整体建模并分析。( 注一为了方便区分这个原始模型，我们将其 称为粗糙模型。这并不表示模型的网格划分必须是粗糙的，而是说模型的网格划分相对 子模型的网格是较粗糙的。) 分析类型可以是静态或瞬态的，其操作与各分析的步骤相同。下面列出了其他的 一些要记住的方面。 文件名粗糙模型和子模型应该使用不同的文件名。这样就可以保证文件不被 覆盖。而且在切割边界插值时可以方便地指出粗糙模型的文件。用下列方法指定文件名： c o m m a n d ：f il n a m e g u i ：u ti 1 it ym e n u f ile c h a n g ej o b n a m e 单元类型子模型技术只能使用块单元和壳单元。分析模型中可以有其他单元 类型( 如梁单元作为加强筋) ，但切割边界只能经过块和壳单元。 一种特殊的子模型技术，称为壳到体子模型技术，允许用户用壳单元建立粗糙模 型而用三维块单元建立子模型。本技术在后面还要讨论。 建模在很多情况下，粗糙模型不需要包含局部的细节如圆角等，见下图2 3 。 但是，有限元网格必须细化到足以得到较合理的位移解。这一点很重要，因为子模型的 结果是根据切割边界的位移解插值得到的。 a c 劬刈g e o m e t v 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 - 3 粗糙模型可以不包括一些细节部分 f i 9 2 3r o u g hm o d e lc a no m i td e t a i lp a r t 文件结果文件( j o b n a m e r s t ，j o b n a m e r m g 等) 和数据库文件( j o b n a m e d b ， 包含几何模型) 在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前应存储数据库文件。用下 列方法存储数据库： c o m m a n d ：s a v e g u i ：u t i l i t ym e n u f i l e s a v ea s u t i l i t ym e n u f i l e s a v ea sj o b n a m e d b 第二步：生成子模型 子模型是完全依靠粗糙模型的。因此在初始分析后的第一步就是在初始状态清除 数据库( 另一种方法是退出并重新进入a n s y s ) 。用下列方法清除数据库： c o m m a n d ：c l e a r g u i ：u t i l i t ym e n u f i l e c 1 e a r & s t a r tn e w 同时，应记住用另外的文件名以防止粗糙模型文件被覆盖。用下列方法指定文件 名： c o m m a n d ：f il n a m e g u i ：u ti 1it ym e n u f ile c h a n g ej o b n a m e 然后进入p r e p 7 并建立子模型。应该记住下列几点：使用与粗糙模型中同样的单 元类型。同时应指定相同的单元实参( 如壳厚) 和材料特性；( 另一种子模型技术 壳到体技术允许从粗糙模型的壳单元转换为体单子模型的位置( 相对全局坐标原 点) 应与粗糙模型的相应部分相同，见图2 - 4 。 p a no f m e c o a r s er o o d d 图2 - 4 叠加在粗糙模型上的子模型 f i 9 2 4s u b m o d e lw h i c hs u p e r p o s i t i o nt h er o u g hm o d e l 自升式平台桩靴开孔强度的分析研究 指定合适的结点旋转位移。切割边界结点的旋转角在插值步骤一写入结点文件时 不应改变( 见第三步：生成切割边界插值) 。用下列方法指定结点旋转： c o m m a n d ：n r o t a t g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e n o d e s 一r o t a t en o d ec s t oa c t iv ec s m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m o v e m o d i f y 一r o t a t en o d ec s t oa c t i v ec s 注意结点旋转角会因为施加结点约束，传递线上约束或面上约束等操作而改变， 同样也会为更加明显的操作如 n r o t a t 和n m o d i f 等改变。 粗糙模型中结点旋转角的出现或缺省并不影响子模型。子模型的载荷和边界条件 将在后面两步中施加。 第三步：生成切割边界插值 本步是子模型的关键步骤。用户定义切割边界的结点，a n s y s 程序用粗糙模型结果 插值方法计算这些点上的自由度数值( 位移等) 。对于子模型切割边界上的所有结点， 程序用粗糙模型网格中相应的单元确定自由度数值，然后这些数值用单元形状功能插值 到切割边界上。 在切割边界插值中有下面几步操作： 1 指定子模型切割边界的结点并将其写入一个文件( 缺省为j o b n a m e n o d e ) 中。 可以在p r e p 7 中选择切割边界的结点，用下列命令将其写入文件： c o m m a n d ：n w ri t e g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e n o d e s w r i t en o d e f i l e 下面是一个n w r i t e 命令的例子： n s e l 。! 选择切割边界上的结点 n w r i t e! 将其写入j o b n a m e n o d e 图2 - 5 予模型切割边界 f i 9 2 5c u t t i n gb o u n d a r yo ft h es u b m o d e l 在这罩讨论一下温度插值的问题。在包含特性随温度变化的材料的分析中，或热一 应力耦合分析中，粗糙模型和子模型中的温度分布是相同的。在这种情况下，必须将粗 大连理工人学专业学位硕士学位论文 糙模型的温度插值到子模型中的所有结点上。要完成这步操作，要选择子模型中所有结 点并写入另外一个文件中，使用n w r i t e ，f i l e n a m e ，e x t 。记住必须另外指定一个文件名， 否则切割边界结点文件将被覆盖! 第7 步中说明了关于温度插值的命令。 2 重新选择所有结点并将数据库存入j o b n a m e d b 中，然后退出p r e p 7 。必须将数 据库写入文件，因为在后面子模型分析中要使用到。 用下列命令重新选择所有结点： c o m m a n d ：a l l s e l g u i ：u t i l i t ym e n u s e l e c t e v e r y t h i n g 用下列命令存储数据库： c o m m a n d ：s a v e g u i ：u t i l i t ym e n u f i l e s a v ea sj o b n a m e d b 3 要进行切割边界插值( 和温度插值) ，数据库中必须包含粗糙模型的几何特征。 因此要用下列一种方法读入粗糙模型数据库： c o m m a n d ：r e s i n e g u i ：u t i l i t ym e n u f i l e r e s u m ef r o m 如，粗糙模型文件名为c o a r s e ，就输入命令r e s u m e ，c o a r s e ，d b 。 4 进入p o s t l ，即通用处理器( p o s t l 或m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c ) 。插值 只有在p o s t l 中进行。 5 指向粗糙模型结果文件( f i l e 或m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c d a t a f i l e o p t s ) 。 6 读入结果文件中相应的数据( s e t 或m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c 一r e a d r e s u l t s o p t i o n ) 。 7 开始切割边界插值。用下列方法完成本步操作： c o m m a n d ：c b d o f g u i ：m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c s u b m o d e li n g i n t e r p o l a t ed o f 缺省状态下，c b d o f 命令假定切割边界结点在文件j o b n a m e n o d e 中。a n s y s 程序 将计算切割边界的d o f 数值并用d 命令的形式写入文件j o b n a m e c b d o 中。 用下列方法作温度插值，但要保证文件包含所有子模型结点： c o m m a n d ：b f i n t g u i ：m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o c s u b m o d e l i n g i n t e r pb o d yf o r c 温度插值以b f 命令的格式写入文件j o b n a m e b f i n 中。 白升式平台桩靴开孔强度的分析研究 注如果数据包括实部和虚部的话，步骤6 和7 就要作两遍。先用s e t 命令读 入实部的数据并作插值 c b d o f 和或b f i n t ，然后用s e t 命令将域设为1 读入虚部的数 据并重新进行插值读入虚部的数据并重新进行插值，但这次将虚部插值写入另个文 件。 8 至此，所有的插值任务完成，退出p o s t l f i n i s h 并读入子模型数据库( r e s u m e 或m a i nm e n u f il e r e s u m ef r o m ) 。 第四步：分析子模型 在本步中，用户指定分析类型和分析选项，加入插值的d o f 数值( 和温度数值) ， 施加其他的载荷和边界条件，指定载荷步选项，并对子模型求解。 第一步是进入求解器( s o l u 或m a i nm e n u s o l u t i o n ) 。 然后定义分析类型( 一般为静态) 和分析选项。 要施加切割边界自由度约束，用下列命令读入c b d o f 命令生成的由d 命令组成的 文件： c o m m a n d ：i n p u t g u i ：u t i l i t yb l e n u f i l e r e a di n p u tf r o m 要施加温度插值，用下列命令读入b f i n t 命令生成的由b f 命令组成的文件： c o m m a n d ：i n p u t g u i ：u t i l i t ym e n u f i l e r e a di n p u tf r o m 如果数据有实部和虚部，先读入实部数据文件，指定自由度约束数值和( 或) 结 点体载荷是否计算，然后读入虚部数据文件。 用下列方法指定计算自由度约束数值： c o m m a n d ：d c u b l ，a d d g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r l o a d s 一l o a d s s e t t i n g s c o n t r a i n t s m a i nm e n u s 0 1 u t i o n 一l o a d s s e t t i n g s c o n s t r a i n t s 用下列方法指定计算结点体载荷数值： c o m m a n d ：b f c u m ，a d d g u i ：b l a i nm e n u p r e p r o c e s s o r l o a d s 一l o a d s s e t t i n g s n o d a lb o d yl d b l a i nm e n u s 0 1 u t i o n 一l o a d s s e t t i n g s n o d a lb o d yl d 注意在执行d c u m 和b f c u m 命令时要先将其初始状态设为初始值。 重要的一点是要将粗糙模型上所有其他载荷和边界条件复制到子模型上。比如对 称边界条件，面力，惯性载荷( 如重量) ，集中力等( 见图2 6 ) 。 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 c u t - b o u n d a r y d o fc o n s r a j n 傍 f r e es u r f a c e 懒 i nc o a r s em o d e j ) c u t - b o u n d z 掣 d o f c o n s v a i n t s 图2 - 6 子模型的载荷 f i 9 2 - 6l o a d i n go fs u b m o d e l 然后指定载荷步选项( 如输出控制) 并开始计算： c o m m a n d ：s o l v e g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n c u r r e n tl s m a inm e n u s o l u ti o n r u nf l o t r a n 在求解完成后，退出s o l u t i o n 。 f i n i s h 子模型的数据流向( 无温度插值) 见图2 7 。 一1 5 自升式平台桩靴开孔强度的分析研究 图2 - 7 子模型分析( 无温度插值) 的数据流向 f i 9 2 7s u b m o d e la n a l y s i s ( w i t h o u tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ) d i r e c t i o no fd a t a 第五步：验证切割边界和应力集中位置的距离是否足够 最后一步是验证子模型切割边界是否远离应力集中部分。可以通过比较切割边界 上的结果( 应力，磁通密度等) 与粗糙模型相应位置的结果是否一致来验证。如果结果 符合得很好，证明切割边界的选取是正确的。如果不符合的话，就要重新定义离感兴趣 部分更远一些的切割边界重新生成和计算子模型。 一个比较结果的有效方法是使用云图显示和路径显示，见图2 8 和2 9 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 n o 健柏陀e m e 眦o f s m t s s e sa t 仇i s s e g m e n to fm ec u t b o u n d a r yb e w 把e n c o a 悖em o d e l 甜d s u b m o a e i 图2 8 比较结果时的云图显示 f i g2 - 8n e p h o g r a mf o rr e s u l tc o m p a r e 图2 - 9 比较结果时的路径显示 f i 9 2 。9p a t hf o rr e s u l tc o m p a r e 输入示例 下面列出了一个子模型分析的输入示例： ! 开始子模型分析 f il n a m e ，c o a r s e p r e p 7 s o l u a n t y p e ， ! 工作文件名为c o a r s e ! 进入p r e p 7 1 生成粗糙模型 ! 进入求解器 ! 分析类型和分析选项 自升式平台桩靴开孔强度的分析研究 d ， d s y m m ， a c e l ， s a v e s o l v e c o a r s e r s t ( 或r m g 等) f i n i s h ! 生成子模型 c l e a r fil n a m e s u b m o d p r e p 7 1 进行切割边界插值 n s e l 。 n w r i t e a l l s e l n w h t e ，t e m p ，n o d e ( 用于温度插值) s a v e f i n i s h r e s u m e ，c o a r s e ，d b p o s t l f il e ，c o a r s e ，r s t s e t 。 c b d o f 并将d 命令写入s u b m o d c b d o b f i n t ，t e m p s ，n o d e 入文件 s u b m o d b f i n f i n i s h r e s u m e s o l o a n t y p e i n p u t ，s u b m o d ，c b d o ! 载荷和载荷步选项 ! 粗糙模型数据库文件c o a r s e d b ! 求解粗糙模型 ! 结果在文件 ! 清除数据库( 或退出a n s y s 并重新进入) ! 新工作文件名为s u b m o d ! 重新进入p r e p 7 1 生成子模型 ! 选择切割边界上的结点 ! 将其写入文件s u b m o d n o d e ! 读入所有实体 ! 将所有结点写入文件t e m p n o d e ! 存储子模型数据库文件s u b m o d d b ! 读入粗糙模型数据库( c o a r s e d b ) ! 进入p o s t l 1 使用粗糙模型结果文件 ! 读入需要的结果数据 ! 从s u b m o d n o d e 中读入切割边界结点 ! 从t e m p s n o d e 中读入所有子模并将b f 命令写 ( 用于温度插值) ! 结束插值过程 ! 读入子模型数据库( s u b m o d d b ) ! 进入求解器 ! 分析类型和选项 ! 切割边界自由度 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 i n p u t ，s u b m o d ，b f in d s y m m ， a c e l ， s o l v e f i n i s h p o s t l f i n i s h 壳到体子模型 ! 温度插值 ! 其他载荷和载荷步选项 ! 子模型求解 ! 进入p o s t l 1 验证子模型数据 在壳到体子模型技术中，粗糙模型为壳模型而子模型为三维实体模型。图2 - 1 0 所 示为三维实体子模型添加到粗糙壳模型上的例子。 图2 - 1 03 - d 实体模型叠加到壳单元模型上 f i 9 2 1 03 - ds o li dm o d e ls u p e r p o s it i o nt os h e llm o d e l 壳到体子模型分析与体对体子模型分析大致一致。下面的几点是要记住的： 壳到体子模型分析是将d b d o f命令( m a i nm e n u g e n e r a i p o s t p r o c s u b m o d e l i n g i n t e r p o l a t e d o f) 和 b f i n t 命令 (m a i n m e n u g e n e r a l s u b m o d e l i n g i n t e r pb o d yf o r c ) 中k s h s 域设为1 实现的。本特性不 适用于s h e l l 9 1 或s h e l l 9 9 ( k e y o p t ( 1 1 ) 不等于o ) 。子模型切割边界应为垂直于壳 平面的端面( 见图2 - 1 0 ) 。切割边界上的结点写入文件中 n w r i t e ( m a i n m e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e n o d e w r i t en o d ef i l e ) 。要确定切割边界上结点的自由度 臼升式平台桩靴开孔强度的分析研究 数值 c b d o f ，程序首先将结点延伸到壳平面的最近的单元上，该延伸结点的自由度数 值就插值并赋值给相应的结点。温度插值是由计算最近壳单元的中面平均温度得到的。 注一切割边界上的结点位置必须在最近壳单元平均厚度的0 7 5 倍之间，见图2 1 0 。也就是说，子模型应大致在粗糙模型的中间。 v 劬 图2 - 11 结点旋转：a ) c b d o f 命令之前，b ) c b d o f 命令之后 f i 9 2 11j o i n tr o t a t i o na ) b e f o r ec b d o fo r d e rb ) a f t e rc b d o fo r d e r 在结构分析中，切割边界结点只计算平动自由度，但其数值是根据延伸结点的平 动和转动自由度得到的。而且，结点旋转以使结点的u y 自由度始终垂直于壳平面，见 图2 一1 1 。u y 自由度只有当结点在壳平面平均厚度的1 0 之内时才计算。这防止了子模 型在反向的过度位移。 由c b d o f 命令写的c b d o 文件包括两个部分：( 1 ) 一组n m o d i f 命令( 表示结点旋转 角度) 和d d e l e 命令( 删除u y 约束) ，( 2 ) 一组d 命令( 施加自由度插值) 。这两个部分用 e o f 命令和一个：c b n n 标记分开( n n 为结果序列迭代次数) 。 用户必须将c b d o 文件读入p r e p 7 中，因为n m o d i f 命令只能在p r e p 7 中适用。要 完成这步操作，进入前处理器，然