（水利工程专业论文）大型海上平台滑移装船有限元分析.pdf

中文摘要 有限单元法是在二十世纪六、七十年代发展起来的强有力的数值分析方法， 目前由于前、后处理技术的发展，计算效率非常高，有限单元法的应用越来越广 泛。a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大 型通用有限元分析软件。a n s y s 用户涵盖了机械、土木建筑、教育科研等众多 领域，a n s y s 是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。 某总重超过8 0 0 0 吨的大型海上平台c e p a 拟在6 0 0 0 吨级滑道场地制作，并采 用轨道滑车工艺装船。为保证平台滑移、装船过程中平台结构、滑车、滑道和码 头结构的安全性，需对c e p a 平台在滑道上滑移和装船过程中，滑道和码头结构 的安全性进行计算。在乎台滑移过程中和装船过程中，由于已超出原设计范围的 平台荷载、驳船和码头之间的高差引起的平台腿压重分布、滑车滚轮强度限制等 因素的影响，使得平台滑移装船过程分析变得十分复杂。本文对大型海上平台 c e p a 滑移装船过程中的技术问题进行了计算分析，并针对计算结果中发现的技 术问题提出了多项解决方案，在对各解决方案重新进行计算分析的基础上，提出 了最终结论和建议工程措施。 鉴于有限单元法和a n s y s 软件的上述优点，本文采用a n s y s 软件利用有限 单元法对大型海上平台滑移和装船过程进行了有限元分析。并且给出了相应的有 限元计算结果。 关键词：大型海上平台装船工艺有限单元法a n s y s 软件数值分析 a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sas t r o n gn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d i tw a s d e v e l o p e dd u r i n g6 0 sa n d7 0 st w e n t yc e n t u r y i tm a k e sm a n yc o m p l e xe n g i n e e r i n g p r o b l e m se a s yt ob es o l v e d b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to f t h ep r e p r o c e s s o ra n dp o s t p r o c e s s o rm e t h o d s ，t h ec o m p u t i n ge f f i c i e n c yb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i g h s ot h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r a n s y si s g r e a tg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew h i c hi si n c l u d i n g s t r u c t u r e ，t h e r m o d y n a m i c s ，f l u i d ，e l e c t r o m a g n e t i s m ，s o u n df i e l da n dc o u p l i n gf i e l d ， a n s y su s e r sa r ed i s t r i b u t e di nm e c h a n i s m ，e n e r g y , t r a n s p o g ，c o n s t r u c t i o n ，e l e c t r o n ， b i o l o g y , e d u c a t i o na n ds oo n a n s y sh a sb e c o m eag e n e r a la n a l y s i sp l a t f o r mi nt h e t e c h n i q u ei n t e r c o m m t m i o no fd e s i g nt e c h n i q u ei nt h ei n t e m a t i o n a la n dn a t i o n a la r e n a a l a r g ep l a t f o r ms t r u c t u r e ( c e p a ) w i l lb em a n u f a c t u r e da n ds h i f t e dt os h i pi na 6 0 0 0 ts l i d e w a y c e p ap l a t f o r mi sa b o u t7 0 0 0 tw e i g h t ，w h o s es u p p o r t i n gs t r u c t u r ei s a b o u t8 5 0 t t h u s ，t h ew h o l ew e i g h ti so v e r8 0 0 0 t ，w h i c hi n c l u d e st h ew e i g h to ft h e t a c k l e t h i sw e i g h th a sg o n gb e y o n dt h ed e s i g na l l o w a n c e s i no r d e rt og u a r dt h es a f e o ft h ec e p ap l a t f o r mw h i l es h i f t i n gt os h i p ，as a f e t yc h e c k i n gc o m p u t a t i o ni sn e e d e d b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so ff e ma n da n s y s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es i d e w a y a n dd o c ks t r u c t u r ed u r i n gt h el a r g ep l a t f o r mi ss h i f t e dt oas h i pw i t ht h ef e m t h r o u g h a n s y s a n dt h ec o n c l u s i o ni sg i v e na c c o r d i n gt ot h ef e m a n a l y s i s k e yw o r d s ：l a r g ep l a t f o r m ，t e c h n i c so fs h i p m e n t ，f e m ，a n s y ss o f t w a r e n u m e r i c a la n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：，绎p 月夕。闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名 签字同期：易岁牛年f 矿多口只 签字日期：二却乒年f 月岁af 天津v 人学硕f ：学位论文 第一帝前j 1 1 国内外研究现状 第一章前言 海洋平台是海洋资源开发的基础性设施，是海上生产与生活的基地，其投资 资金约占海洋石油勘探丌发费用的三分之一左右【4 卯。因此，运用技术手段确保海 洋平台结构物的安全，是海洋平台结构设计、施工、运输、使用和维护中必须特 别关注的问题。本文就是研究大型海上平台在装船过程中滑道结构及平台支撑结 构的安全性问题。 1 9 8 6 年9 月2 0 日，我国首座现代化海洋采油平台在渤海埕北油田建成，表 明我国已经能够独立制造海上油罔开采的勘探、钻井、采油全过程的成套设备。 此后，我国在锦州、绥中、歧口、秦阜岛、埕北、渤中、蓬莱、平湖、陆丰、惠 州、流花、番禺、西江、涸洲、潮州、东方、崖城、文昌等2 9 个海域油气 = f i 中 建设了上百座海洋平台。我国在近海已建成的海洋石油钻采平台大多是导管架式 固定平台 4 6 1 。其它结构还有桶型基础平台【4 ” 4 8 1 、单点系泊海洋导管架平台等。 自2 0 世纪8 0 年代，海洋油气丌发逐渐向深海发展，各类深海海洋平台结构不断 涌现，如张力腿平台、单柱式生产平台、多功能半潜式平台、几何s p a r 和集成 浮力桶等【4 ”。 以近海应用最广泛的导管架式固定平台为例，平台是由导管腿、水平弦杆、 斜撑及穿过导管腿的桩等钢质薄壁圆管杆件构成的空涮钢架结构，承受其上的生 活模块、锅炉模块等各种组块荷载。导管架、组块等均为重量很大的钢结构，其 制造过程以导管架为例，分片加工后在滑道上组装并焊接成整体，待导管架施工 完成后，将其沿滑道拖向前方码头承台，装船后，运送到海上指定目的地进行安 装，施工完成后作为海上石油钻井平台的基础。 由以上过程可见，平台的装船过程是平台制造过程中的一个重要环节，由 于海洋平台重量很大，采用技术手段确保装船过程中平台、支撑结构和滑道的安 天津人学坝：学位论史 第一章前； 全性是非常重要的。 大型结构物装船、下水工艺主要用于以下两个方面。 一、船舶上墩下水 用于造船下水和修船上墩的的船台滑道，是一倾斜的修造船水工建筑物， 根据其用途和设备，目前采用的主要有以下几种： ( 1 ) 木滑道：木滑道是在天然地基上铺上木粱作为滑道，梁上放滑板，船 体支撑在滑板上，用手摇的或电动的绞盘或绞车拖曳船舶上墩或下水 5 0 。 ( 2 ) 涂油滑道：由木滑道发展而来，在天然地基或人工地基上建造一个钢 筋砼的基础来支撑木质下水滑道，并构成岸上建造船体的场地( 称为船台) ，船 体造好后，在下水滑道上涂上一层厚油脂，油脂上放滑板，使船体坐落在滑板上， 采用液压制滑机控制滑板的滑行。这种滑道不设牵引设备，只能用于下水，不能 用于上墩。国内已用于1 0 力吨级以下的船舶下水，国外已用于3 2 万吨级船舶下 水啪1 。 ( 3 ) 机械化滑道：这种滑道用钢轨代替木质滑道，用车子代替滑板，采用 机械操作，利用一个下水滑道可以为若干个船台服务，是目前中小型船舶成批修 船时广泛采用的一种设备。移船需用小车进行，因小车与轨道之倒为滚动摩擦， 敌上墩下水比较省力【5 0 】。 ( 4 ) 气囊下水：该工艺于2 0 世纪8 0 年代初出现，随着对其工艺的改善、 实践和完善，使其在经济性、安全性、灵活机动和适用能力强等方面的具有了一 定的优越性，因而在9 0 年代末逐渐得到较多应用【5 1 】。 ( 5 ) 水挚工艺：利用加压水泵将水充进水垫车的胶囊中，使胶囊室内的水 形成一定的压力，促使胶囊鼓胀，托起水趣车上的构件，压力水连续不断地充进 胶囊内，使压力水从胶囊内侧壁的水孔进a e 间水室，使中间水室的水压不断增 大，当胶囊中问水室的压力增大到足以托起构件时，胶囊里的压力水就从胶囊与 地面之间射出，使胶囊与地面之阳j 形成一层水膜，这层水膜会大大减少牵引运行 中水垫车胶囊与地面之间的摩阻力，以达到用很小的力牵引运载几百吨乃至更重 的构件移动的目的 5 引。 二、大型海上平台装船 船台滑道的顶面是倾斜的，与此不同，用于大型组块和导管架装船的滑道， 天津人学坝【学位论文 第章前言 是水平的，因而上述船舶下水工艺大多还没有被引入使用，目前平台装船工艺主 要有以下三种： ( 1 ) 滑块滑靴工艺：沿着码头和陆域的滑道上连续铺设长方形的混凝土 滑块，滑块之间用水泥砂浆填实，滑块顶面沿着滑道方向铺设连续的钢板( 钢板 焊在滑块上) ，当拖拉导管架时，导管架下设有滑靴，滑靴的底部为木板，木板 与滑块之蚓涂有润滑油，拖拉导管架时的摩擦力首先传至滑块，因滑块沿滑道方 向是连续的，因此摩擦力由全部滑块共同承担。滑块悬出码头前沿几十厘米，运 输导管架的驳船上也设有相应的滑块，两组滑块对顶，然后使用船上的绞车牵引 导管架至船上【5 3 1 。由此分析，陆域滑块上所受到的摩擦力与驳船上滑块的对顶力 相抵消，驳船上滑块受到陆域滑道的项力与绞车的拉力相抵消，对滑道和码头来 讲不产生水平力，只对混凝土滑块内部产生纵向压力。从导管架拖拉的过程分析， 对应滑道每个桩问段的荷载都是从无到满布的推进过程，因而对桩基承台会产 生较明显的拉、压桩力。 ( 2 ) 轨道滑车工艺：在滑道上铺设钢轨，在钢轨上设置滚轮滑车，每个滚 轮滑车骑跨在两条轨道上，组块或导管架支腿支撑在滑车上，困小车与轨道之间 为滚动摩擦，故拖拉时水平力较小。同滑块滑靴工艺，荷载对桩基承台会产生较 明显的拉、压桩力。 ( 3 ) 起重船吊装工艺：在靠近码头前沿处制作组块或导管架，必要时施打 专用基桩承台以承担竖向荷载，组块制作完毕后，由起重船直接吊装上驳船。目 前国内最大的起重铺管船“蓝疆号”最大起吊重量超过3 0 0 0 t 。 国内目前对大型海上平台的装船工艺主要采用滑块滑靴工艺，在文昌、天津 新港等地均有此类滑道，目前天津新港的最高级别的滑道可用于8 0 0 0 t 组块的制 作装船。而轨道滑车工艺以前主要用于小型导管架的装船，天津新港的1 4 0 0 t 导 管架场地就是采用这种工艺，后因大型导管架制造、装船需要改造为第一种工艺。 起重船吊装工艺因起熏船起吊重量和场地等原因在用于大型海上平台装船时还 有所限制。 本文所分析的大型海上平台总重超过8 0 0 0 t ，不仅是亚洲最大的单体平台结 构，而且对其采用轨道滑车工艺装船也是一种新的尝试，显然出于该工艺涉及滑 道、码头、滑车、平台本身及船舶，增加了受力分析时的复杂性，对发问题进行 灭津人学倾1 学位论史 第一审前i 深入研究是十分必要和有重要意义的。 大型海上平台装船时滑道及平台支撑结构的安全性分析一般采用有限单元 法。有限单元法【3 】是在二十世纪六、七十年代发展起来的强有力的数值分析 方法，它使得很多复杂的工程分析问题迎刃而解，而且目前由于前、后处理技术 的发展，计算效率非常高，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析 的可靠依据，因此有限单元法的应用越来越广泛。 有限单元法的优点有：l 、可以分析十分复杂的、非均质的各种实际工程结 构；2 、可以在计算模型中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件；3 、可以 进行动力计算；4 、由于前后处理技术的快速发展，可以进行大量的方案比较分 析，并能迅速地用图形表示计算结果，从而有利于对方案的优化。 目前，有限元计算软件十分丰富，国际上著名的通用有限元软件有几十种， 常用的如s a p 、a n s y s ，a d l n a 、n a s t r a n 、a l g o r f e m 等。 a n s y s 软件【3j 是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的 大型通用有限元分析软件。a n s y s 应用范围涵盖了机械、航空航天、能源、交 通运输、土术建筑、电子、地矿、生物医学、教育科研等众多领域，是这些领域 进行国际圜内分析设计技术交流的主要分析平台。 鉴于前面所述的有限单元法和a n s y s 软件所具有的优点，本文采用了 a n s y s 软件利用有限单元法对大型海上平台滑移和装船时滑道和码头进行了有 限元分析，给出了有限元计算结果并且提出了相应的解决方案。 1 2 问题的提出 某大型海上平台c e p a 拟在某6 0 0 0 吨级滑道场地制作，并通过轨道滑车工 艺装船，即c e p a 平台制作时，其8 条支腿荷载由8 个新建制造承台承担，而其 在滑道上滑动时，平台荷载通过1 5 个支撑点传递到3 0 台滑车上，再通过滑车滚 轮传递到6 根铺设在滑道梁上的钢轨上，装运c e p a 平台的驳船甲板上也设有轨 道，驳船与码头( 滑道前端) 之间通过简支钢梁( 称为摇臂) 过渡。 为保证c e p a 平台在滑道上滑移和装船过程中c e p a 平台、滑车、滑道和码 头结构的安全，需对以下技术问题进行分析： ( 1 ) c e p a 平台荷载超过了滑道设计荷载范围。c e p a 平台结构重约7 0 0 0 4 天津人学坝 学位论文 第一市前i 吨，d s f 支撑结构重约9 5 0 吨，还有滑车结构自重，这样，作用于滑道上的结构 总重超过8 0 0 0 吨，结构荷载已超出滑道的设计范围 2 11 5 1 【8 【l o 】1 2 oc e p a 平台能 否在此滑道施工是需要我们解决的问题。 ( 2 ) 在进行平台滑移计算时，可将滑道梁作为弹性支承连续梁考虑。分析 可知，桩基支承的滑道结构有的地方刚度较小，如滑道梁跨中部位，有的地方刚 度较大，如桩基支撑部位。滑车的车轮作用于这些软硬不均的滑道梁上时，会导 致各轮压的分布不均匀，因此需进行滑车滚轮反力计算，在此基础上分析c e p a 平台滑移过程中的各支点在不同位置对结构的影响，寻找最不利荷载位置及结构 中产生的最大内力，以验算滑道板、梁和基桩结构的安全性。 ( 3 ) 在平台装船过程中，需要不断对驳船进行调载，以使驳船顶面与滑道 顶面保持在同一高度上，但工程实践中由于调载需要时间和波浪等因素的影晌， 陆域滑道顶面和船上的滑道梁顶面之间必然存在高差，一般情况下，这高差要 求控制在3 c m 以内。由于驳船和滑道之间通过摇臂过渡，摇臂长度为3 6 4 m ，而 大刚度的滑车长度为1 2 m ，滑车的最大变形经过计算知只有5 i m m ，因此滑车不 能适应码头和船之涮的高程差，必然会导致部分车轮悬空，部分车轮轮压大幅度 增大，这一变化将使滑道、滑车滚轮荷载急剧增大，给结构安全带来隐患。实际 上，平台装船过程往往是各结构安全性的控制工况。因此需要对c e p a 平台装船 过程进行有限元分析，计算平台由于高差导致的各支撑点反力重分布情况，计算 各支撑点的滑车滚轮反力，分析c e p a 平台在滑移过程中的各腿压位黄对结构的 影响，寻找最不利荷载位置及结构中产生的最大内力，验算码头结构的板、梁、 桩基的安全性。 ( 4 ) 经计算分析，如果按原定方案，c e p a 平台在滑道上滑行和装船过程 中，中间承台和前方码头上的滑道粱和桩基的安全性均得不到保证【2 】【8 l 1 0 】d 2 ， 需要对滑车和码头进行改造。根据初步计算情况，本文提出了改造方案，即加固 滑车，将原来的箱梁中部从2 2 m 高增至2 8 m 高，两端从1 4 m 高增高至1 6 m 高， 这样改造滑车箱粱后，滑车箱粱的刚度增大，滑车在滑道上滚动时滚轮压力分粕 趋向于均匀，以解决c e p a 平台在渭道上滑移时滑道结构的安全性问题。 但是这一改造不能解决c e p a 平台装船时滑道结构不能满足规范要求的问 题，因为平台腿压作用于滑车中部，滑车在码头上滑移时，需要增加滑车箱梁的 天津人学瑚卜学位论文 第一章前； 刚度，以使滑车轮压分布均匀，而在装船过程中，滑车箱梁刚度过大时，又会在 码头和船之间存在高程差时，使部分车轮悬空而另外部分车轮的轮压大幅度增 大，使得荷载分布更加不均匀，从而使得滑道结构趋向于危险。为解决这一问题， 本文提出了以下三种解决方案，一是严格控制高差方案，二是加长摇臂方案，三 是加固码头前沿方案。 本文根据上述改造方案，重新对大型海上平台c e p a 滑移和装船时的结构安 全性进行了有限元计算，分析中间承台和前方码头的桩基承载力和滑道梁的抗弯 能力能否满足要求，并且提出了最终的结论和工程建议，建议改造方案已经在实 际工程中得到实施。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作内容如下： 、滑车加固前、后，c e p a 平台滑动时滑道结构有限元分析 1 、计算滑道板的板、梁、基桩结构安全性验算； 3 、计算滑车滚轮反力。 上述各种验算中，拟采用o | 3 m o 5 m 的步长考虑组块在滑移过程中的各支 点位置对结构的影响，以寻找最不利荷载位置及各结构中产生的最大内力。 二、滑车加固后，c e p 平台装船时滑道和码头结构有限元分析 平台装船时，出于码头与船之间存在高差，引起平台腿压重新分布，另外， 滑车由码头滑道行至摇臂轨道时，出于两部分轨道的竖向刚度不同以及初始位移 ( 相对于水平轨道) 的不同，导致滑车轮压的重分布。 因此需要计算以下内容： 1 、出现高程差时平台各支撑点反力： 2 、最大支撑点的滑车滚轮反力； 3 、码头结构的扳、梁、桩基的安全性。 上述各种计算中，拟采用l m 的步长考虑组块在滑移过程中的各腿压位置对 结构的影响，以寻找最不利荷载位置及各结构中产生的最大内力。 4 、在上述有限元计算分析的基础上，再选取约3 种不同前后高差，计算码 头结构( 包括码头结构和滑车结构) 允许的最大高差。 6 天津人学蟥l t 学位论丘： 鹪二章有限儿雉础世a n s y s 程序介绰 第二章有限元基础及a n s y s 程序介绍 2 1 有限元法概述 2 1 1 引言 有限单元法的基本思路是将需要求解的区域离散为一组有限个、按照一定的 规律相互联系在一起的单元的组台体。有限单元法的求解思路就是利用每个单元 内假设的近似函数来分片地表示全部求解域上= 待求的未知场函数，如应力、位移 等。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导函数在单元的各个节点数值的 插值函数来表示，这样，在个问题的有限元分析中，未知场函数或其导函数在 各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离 散的有限自由度问题，等求解出这些新的未知量后，就可以通过插值函数计算出 各个单元内场函数的近似渣，从而得到整个求解域上的近似解。随着单元网格尺 寸的减小、单元自由度的增加，这种近似解的精确程度将不断提高。目前，有限 元法多作为理论分析和模型试验的验证和补充，有时也应用于对现有结构的评价 和检测，更重要的是它可以揭示试验手段不能达到的区域的力学特性。 2 1 2 有限单元法基本过程 i _ 结构物的离散化 在有限单元法中，离散化是将待分析的结构物从几何上用线或面划分为有限 个单元，即将结构物看成有限个单元形成的组合体。按照结构物形状的不同和分 析的耍求，选取不同形式的单元，通常在单元的边界上设置结点，结点连接相邻 的单元。整个结构可以视为这些单元的组合体。 结构物离散化时，划分的单元的大小和数目应根据计算精度的要求和计算机 容量柬确定。 2 单元分析 所谓单元分析就是设法导出单元的结点位移和结点力之间的关系，即建立单 所谓单元分析就是设法导出单元的结点位移和结点力之间的关系，即建立单 灭津人学顺i 学位论文 第二章有限，i 基础发a n s y s 程序介绍 第二章有限元基础及a n s y s 程序介绍 2 1 有限元法概述 2 1 1 引言 有限单元法的基本思路是将需要求解的区域离散为一组有限个、按照一定的 规律相互联系在一起的单元的组合体。有限单元法的求解思路就是利用每个单元 内假设的近似函数来分片地表示全部求解域上待求的未知场函数，如应力、位移 等。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导函数在单元的各个节点数值的 插值函数来表示，这样，在一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导函数在 各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离 散的有限自由度问题，等求解出这些新的未知量后，就可以通过插值函数计算出 各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。随着单元网格尺 寸的减小、单元自由度的增加，这种近似解的精确程度将不断提高。目前，有限 元法多作为理论分析和模型试验的验证和补充，有时也应用于对现有结构的评价 和检测，更重要的是它可以揭示试验手段不能达到的区域的力学特性。 2 1 。2 有限单元法基本过程 1 结构物的离散化 在有限单元法中，离散化是将待分析的结构物从几何上用线或面划分为有限 个单元，即将结构物看成有限个单元形成的组合体。按照结构物形状的不同和分 析的要求，选耿不同形式的单元，通常在单元的边界上设置结点，结点连接相邻 的单元。整个结构可以视为这些单元的组合体。 结构物离散化时，划分的单元的大小和数目应根据计算精度的要求和计算机 容量来确定。 2 单元分析 所谓单元分析就是设法导出单元的结点位移和结点力之间的关系，即建立单 天津人学坝卜学位论艾 第二章有限，己基础发a n s y s 程序介绍 元剐度矩阵。在分析丰t 件结构时，其单元通常为等截面直杆，单元两端的结点位 移和杆端力之间的转换关系可直接利用结构力学导出的公式给出。在分析弹性力 学平面问题时，每个平厦单元内的任意点的位移需要按一定的函数关系用结点位 移表示，这种函数关系称为位移函数或位移模式。我们选择的位移函数应该保证 解的收敛性。因此，建立合理的位移函数是单元分析的关键。位移函数确定以后， 就可以利用弹性力学的基本方程导出单元刚度矩阵。 此外，还需要静力等效原理将作用在每个单元上的外力简化到结点上，构成 等效结点力。 对于每一个单元进行上述分析之后，可建立单元刚度方程。 3 整体分析 整体分析就是将各个单元组成结构整体进行分析。整体分析的目的在于导出 整个结构的结点位移和结点力之间的关系，即建立整个结构的刚度方程。 整体分析的步骤为： 首先，按照一定的集成规则，将各个单元的刚度矩阵集合成结构的整体刚度 矩阵，并将单元等效结点荷载集合成整体等效荷载列阵； 其次，引入结构的位移边界条件，求解整体平衡方程组，得出基本未知量一 结点位移列阵： 最后，计算出各个单元的内力和变形。 2 1 3 非线性有限元理论 有限元方法在求解有关非线性结构问题时需要用到非线性有限元理论，引起 结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态非线性( 包括接触等1 ， 几何非线性( 包括大变形等) ，材料非线性。 求解非线性问题的方法可以分为三类：增量近似法、迭代法和混合法。 增量法是将荷载划分为一系列增量，每次施加一个荷载增量。在一个荷载增 量中，假定刚度矩阵是常数；在不同的荷载增量中，刚度矩阵可以不同，并与应 力一应变关系相对应。常用的增量法有：增量法，增量弧长法。增量法主要优点 是其普遍适用性。除了加工软化材料外，它能够用于几乎一切类型的非线性情况。 增量法能够较全面地描述荷载- 位移整个过程的状态，对材料特性与加载路 径有关时最适用。由于增量法是将荷载逐级施加的，因此也适于模拟施工加荷过 天津人学砸1 学位论义 第二章有限丸基础及a n s y s 程序介绍 程。增量法的缺点是对分析的每一步都需要计算新的应力一应变矩阵和单元刚度， 再重新集合总刚度。因此计算工作量大。另一缺点是解可能出现漂移现象。 迭代法在每次迭代过程中施加全部荷载，但逐步修改位移和应变，使之满足 非线性的应力应变关系。常用的迭代法有：直接迭代法，牛顿拉普森法 ( n e w t o n r a p s o n 法1 ，修f 的牛顿一拉普森法。迭代法较简单，与增量法相比计算 量较小，对于拉伸和压缩时弹性性质不同的材料，迭代法更适用。此外，割线刚 度迭代法，还可以成功在用于分析具有加工软化材料特性的结构，而增量法则不 宜采用。迭代法缺点是不能保证它的收敛性；不能用于动态问题和状态与加载路 径有关的材料；所得的位移、应力和应变是仅对总荷载而言，不能够描述加载过 程的状态。 混合法是同时采用了增量法和迭代法，即将荷载划分为荷载增量，而对每个 荷载增量中进行迭代计算。混合法综合了增量法和迭代法两者的优点。其将荷载 分成若干级增量，但荷载分级数比增量法大为减少，即每级荷载增量的大小增加 了。在每一级增量荷载作用下，又进行迭代计算，使每一级增量中的计算误差可 控制在很小的范围之内。该法是分析非线性问题非常有效的方法，在工程中得到 广泛应用。 l o a d 图2 - 1 载荷步、子步示意图 ol o a ( js t e o s u b s t e p 在本论文中将采用混合法求解，首先将荷载划分为一系统的荷载步( 如图 2 - 1 ) ，在每个荷载步中采用牛顿- ( n e w t o n r a p s o n 法) 迭代求解。 混合法求解示意图如图2 - 2 所示。 天津人学颂1 学位论文 第二章有限7 i 早础驶a n s y s 程序介绍 在荷载步中的牛顿一拉普森法迭代求解如图2 3 所示。 图2 2 混合法求解示意图图2 _ 3牛顿拉普森法迭代求解 2 2a n s y s 软件的特点 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大 型通用有限元分析软件。a n s y s 用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、 土木建筑、电子、地矿、生物医学、教育科研等众多领域，a n s y s 是这些领域 进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。 自1 9 7 0 年美国匹兹堡大学力学教授j o h ns w a n s o n 博士开发出a n s y s 以来， 在3 0 多年的发展中，a n s y s 不断改进提高，功能不断增强，目前版本已经发展 到8 1 版本。a n s y s 软件是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近2 0 种专业技术协会认证的标准分析软件，在国内，第一个通过了中国压力 容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。 a n s y s 作为个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要 表现在以下几个方面： i 数据统一。 a n s y s 使用统一的数据库来储存模型数据及求解结构，实现前后处理、分 析求解及多场分析的数据统一。 i i 强大的建模能力。 a n s y s 具备三维建模能力，仅靠a n s y s 的g u i ( 图形界面) 就可以建立 各种复杂的几何模型。 i i i 强大的求解能力。 酽二= 一 匪 矿；一 一讲f_1 一 _rjl， p 十 _ _一，眭 天津人学颂 ：学位论义 第二章有限j 基础及a n s y s 程序介绍 a n s y s 提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。 i v 强大的非线性分析功能。 a n s y s 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状 态非线性分析。 v 智能网格划分功能。 a n s y s 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。 良好的优化功能。 利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案，利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外形优化，寻求物体对材料的最佳影响。 可实现多场耦合功能。 a n s y s 可以实现多物理场耦合分析，研究各物理场之间的相互影响。 提供其他程序接口。 a n s y s 提供了多数与c a d 、f o r t r a n 程序及其他有限元程序的接口，大大扩 展了a n s y s 的应用范围。 i x 良好的用户开发环境。 a n s y s 开放的使用环境使得用户可以利用a p d l 、u i d l 等对其进行二次丌 发。 图2 - 4a n s y s 图形用户界面 天津火学坝 学位论艾 第二章青限元举础及a n s y s 程序介绍 2 3a n s y s 结构分析 2 3 1 结构分析的定义 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广 义的概念，它包括土木工程结构如桥梁和建筑物，汽车结构如车身骨架，海洋结 构如船舶结构，航空结构如飞机机身，还包括机械零部件如活塞、传动轴等。 在a n s y s 产品家族中有七种结构分析的类型。结构分析中计算得出的基 本未知量( 节点自由度) 是位移。其他的一些未知量，如应变、应力和反力可通 过节点位移导出。 2 3 2 结构分析的类型 结构分析的类型包括以下几种： 静力分析：用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线 性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、 接触面和蠕变等。 模念分析：用于计算结构的固有频率和模态。 谐波分析：用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 瞬态动力分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且 可计算上述提到的静力分析中所有的非线性特性。 谱分析：是模态分析的应用推广，用于计算由于响应谱或p s d 输入f 随机 振动) 引起的应力和应变。 曲屈分析：用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。a n s y s 可进行线性( 特征值) 屈曲和非线性曲屈分析。 显式动力分析：a n s y s l s d y n a 可用于计算高度非线性动力学问题和复 杂的接触问题。 此外，除前面提到的七种分析类型外，还可以进行如下的特殊分析：断裂力 学、复合材料、疲劳分析、p - m e t h o d 等。 天津大学顺卜学位论义 第二章有限元基础及a n s y s 程序介绍 2 4 结构静力分析的基本过程 静力分析计算在固定不变载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼影响 一如结构受随时间变化载荷作用的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变 的惯性载荷对结构的影响( 如重力和离心力) ，以及那些可以近似为等价静力作用 的随时问变化载荷( 如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷) 的作用。 静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件 上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载 荷和结构响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：外部施加的 作用力和压力、稳态的惯性力( 如重力和离心力) 、强迫位移、温度载荷( 对于温度 应变) 、能流( 对于核能膨胀) 。 静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非 线性类型：大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触( 间隙) 单元、超弹性单元等。 本节主要讨论线性静力分析。 静力分析的求解步骤如下。 2 4 1 建模 为了建模，用户首先应指定作业名和分析标题，然后应用p r e p 7 前处理程 序定义单元类型、实常数、材料特性、模型的几何元素。 在进行静力分析时，要记住如下内容： 1 、可以应用线性或非线性结构单元。 2 、材料特性可以是线性或非线性，各向同性或正交各向异性，常数或与温 度相关的：必须按某种形式定义刚度( 如弹性模量e x ，超弹性系数等) 。对于惯 性荷载( 如重力等) ，必须定义质量计算所需的数据，如密度d e n s 。对于温度荷 载，必须定义热膨胀系数a l p x 。 3 、对于网格密度，要记住： 应力或应变急剧变化的区域( 通常是用户感兴 趣的区域) ，需要比应力或应变近乎常数的区域较密的网格：在考虑非线性的影 响时，要用足够的网格来得到非线性效应。如塑性分析需要相当的积分点密度， 因而在高塑性变形梯度区需要较密的网格。 墨! 兰查竺竺! ! 竺竺堡兰 笙三主塑坚兰苎些苎兰翌竺竺矍! ! ! 塑 2 4 2 设置求解控制 设景求解控制包括定义分析类型、设置一般分析选项、指定荷载步选项等。 当进行结构静力分析时，可以通过“求解控制对话框”来设置这些选项。该对话 框对于大多数结构静力分析都已设置有合适的缺省，只需作很少的设置就可以 了。 可通过选择( m a i nm e , m s o l u t i o n a n a l y s i st y p e - s o l nc o n t r 0 1 ) 进入求解控 制对话框。 在求解控制对话框中有五个标签，这些标签是按最基本的选项出现在第1 个 标签，而其后每一个标签则提供更高级的控制这样来安排的。根掘对话框标签的 组织，可使求解设置较为平顺。 2 4 3 施加荷载 在设置了求解选项以后，可以对模型施加荷载和施加边界条件了。 可以施加的荷载类型包括： 1 位移( u x ，u y u z ，r o t x ，r o t y , r o t z ) 这些自由度约束常施加到模型边界上，用以定义刚性支承点。它们也可以用 于指定对称边界条件以及已知运动的点。出标号指定的方向是按照节点座标系定 义的。 2 力( f x ，fy ，f z ) 和力矩( m x ，m y , m z ) 这些集中力通常在模型的外边界上指定。其方向是按节点座标系定义的。 3 压力( p r e s ) 这是表面荷载，通常作用于模型的外部。正压力为指向单元面。 4 温度( t e m p ) 温度用于研究热膨胀或热收缩( 即温度应力) 。如果要计算热应变的话，必须 定义热膨胀系数。用户可以从热分析 l d r e a d 中读入温度，或者直接指定温度 ( 应用b f 族命令) 。 5 流( f l u e l 用于研究膨胀( 由于中子流或其他原因而引起的材料膨胀) 或蠕变的效应。只 在输入膨胀或蠕变方程时才能应用。 天津人学瑚卜学位论文 第二二章有限元桀础及a n s y s 程序介绍 6 重力、旋转等 这是整个结构的惯性荷载。如果要计算惯性效应，必须定义密度( 或某种形 式的质量1 。 2 4 4 求解 施加荷载和边界条件后可以进行求解。 如果分析中包括其他荷载条件( 即多个荷载步) ，则应重新施加荷载，指定荷 载步选项，保存并求解每一个荷载步。 求解后退出求解并关闭求解菜单。 2 4 5 检查分析结果 静力分析结果保存于结构分析结果文件( j 0 b n a i i l e r s t ) r ，包括以下内容： 1 、初始解，包括节点位移( u x ，u y , u z ，r o t x ，r o t y , r o t z ) 。 2 、导出解，包括节点和单元应力；节点和单元应变；单元力：节点反力等 等。 2 4 6 后处理 可以用一般后处理器p o s t i 和时程后处理器p o s t 2 6 ，来进行后处理，查 看结果。 p o s t l 用于对整个模型在某一子步( 时间点) 上的结果进行检查，p o s t 2 6 用 于非线性静力分析中跟踪整个荷载作用历程上的特定结果。 典型的后处理操作包括： 显示变形图、列出反力和反力矩、列出节点力和力矩、线单元结果、误差评 估、结构能量误差评估、等值线显示、矢量显示、表格列示。 灭津大学坝l 学位论文 第立市下程概龇 3 1 工程背景 第三章工程概况 c e p a 平台为海上石油开采作业平台，总重约8 0 0 0 t ，平台结构及其上面的 各种设备模块( 3 z 称为组块) 的自重由8 根钢桩传递到海底地基中去。c e p 平台制 作时，其8 条支腿荷载由8 个新建制造承台承担；在滑道上滑动时，平台荷载通 过1 5 个支撑点传递到3 0 台滑车上，每个支撑点下设两台滑车，再通过滑车滚轮 传递到6 根滑轨上( 其中最东侧1 条滑轨及其基础新建) ，钢轨铺设在灌注桩基 础的钢筋混凝土连续梁上。平台制作完成后，需从平台制造场地滑移至码头前沿 装船，然后船运至平台服役地点。c e p a 平台构造如图3 1 所示。 图3 - 1 平台结构整体图 6 天津人学坝j 学位论文 第三章1 程概况 目前面临的情况是平台制造场地滑道原设计为6 0 0 0 吨级，共5 条轨道，由 于本工程的需要施工方在原5 条滑道东侧又增加了l 条滑道以满足滑车滑行，即 便如此，现在的滑道荷载已不符合滑道原设计荷载，为确保平台制造及滑移时的 安全，需对滑道的安全性进行核算，这是本项目需要解决的问题之一；另外，由 于在平台装船过程中船体标高控制精度的限制，船甲板和码头面必然存在一定的 高差，这就导致装船时滑车由码头滑移到船甲板的过程中，部分滑车轮承压过大， 而部分滑车轮悬空的现象，即使在轨道平整且每个滑车下滑车轮受力很平均的情 况下，滑车轮的内力已经接近其设计承载力，因此如果发生上述情况装船过程的 安全性将很难保证，这是本项目需要解决的问题之二。 3 2 滑道概况 该6 0 0 0 吨级滑道分为平台预制场地、中间承台、码头三部分，平台预制场 地紧接中间承台后方，滑道顶高程2 8 0 m 。该6 0 0 0 吨级滑道平面布置见图3 2 。 l 枣 ，：懿 。翳。囊 曲 盅 曲 由 餐 蠢 。甜 t 图3 - 2 码头及滑道平面布置图 平台预制场地长1 2 5 m ，宽2 3 5 m ，由5 块钢筋砼滑道板组成，单块滑道板 尺寸为2 5 m 2 3 5 m ，厚0 9 m ，其下依次为o 1 m 厚c i o 混凝土挚层、0 3 m 厚碎 石挚层、底标高为9 o m 的振冲碎石桩。该平台预制场地和8 个新建承台由于其 安全性可以得到保证，因而不在本文讨论范围之内。 天津人学硕i j 学位论史 第_ 三章t 程概况 - _ - _ 一 中间承台的滑道板长2 4 m ，宽2 3 5 m ，该处结构由滑道板、纵梁、横梁、灌 注桩等构件组成，均为非预应力钢筋混凝土现浇构件。滑道板厚0 6 m ，5 根纵梁 高1 2 m ，3 根横粱高1 2 m ，梁宽均为1 0 m 。桩基为z 一1 型灌注桩，纵向7 排排 横向5 排共3 5 根，基桩问距纵向3 6 m 横