（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自升式平台整体与局部有限元模型关系研究.pdf

中文摘要 自升式平台作为近海石油钻井作业的主要设施，其结构安全性能受到广泛关 注，随着工作水深的增加，对围井区升降机构的精确校核成为迫切的需要。限于 现今计算机硬件的发展水平，建立围井区局部精细有限元模型成为解决该问题的 最佳方式，如何最为真实地模拟围井局部区域的受力情况，成为解决该问题的关 键。 本文运用a n s y s 软件，对某百米工作水深的自升式平台建立了整体和局部 有限元模型，对整体模型按照资料数据设置板梁参数并加载所有载荷，从计算结 果中提取桩腿与固桩架之间的作用力施加于局部模型，来模拟局部模型的受力情 况。 对于整体和局部模型计算结果的处理，按照中国船级社海上移动平台入级 与建造规范( 2 0 0 5 年) ，进行了板材和骨材的屈服强度校核以及所有板架结构 的屈曲强度校核。 通过对局部模型不同边界舱段情况下应力云图的对比分析，直观地判断了边 界效应的影响范围。通过提取1 4 组不同位置板架样本的应力结果数据进行对比 计算，得出了边界效应作用的量化结论。 整体和局部有限元模型的校核分析，说明了现今计算机硬件水平下，完全可 以通过这一方式对百米以上水深复杂自升式平台进行有效的强度分析。围井区应 力图像和数据的分析，对自升式平台围井区计算中如何避免边界效应的影响具有 一定的指导意义。 关键词：自升式平台，局部模型，围井区，边界效应，有限元，a n s y s a b s t r a c t j a c k u ps n u c n l r e sa r et h em a i nf a c i l i t i e so fo f f s h o r ep e t r o l e u md r i l l i n go p e r a t i o n , s ot h es t i u c n l i a ls a f e t yp e r f o r m a n c ei sw i d e l yf o c u s e do n a n dw i t ht h ei n c r e a s i n g o p e r a t i n gd e p t h , t h ea c c u r a t ev e r i f i c a t i o no fi t se l e v a t i n gs y s t e mi nl e gw e l l a r e a b e c o m e sa nu r g e n tr e q u i r e m e n t l i m i t e db yt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r e n o w a d a y s ，b u i l d i n gl o c a lr e f i n e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fl e gw e l la r e at u r n so u tt ob e t h eb e s tw a yt os o l v et h i sp r o b l e m ，a n dm o r e o v e rh o wt os i m u l a t et h ef o r c ec o n d i t i o n o fl o c a ll e gw e l la r e af a c t u a l l yb e c o m e st h ek e yt os o l v et h ep r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h eg l o b a la n dl o c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l so faj a c k u pf o ra h u n d r e dm e t e r sw a t e rd e p t ha r eb u i l tb ya p p l y i n ga n s y s p l a t ea n db e a mp a r a m e t e r s o ft h eg l o b a lm o d e la r es e ta n da l ll o a d sa r el o a d e da c c o r d i n gt ot h ed a t a ，a n df r o mt h e c a l c u l a t i o nr e s u l tt h ef o r c eb e t w e e nl e g sa n dj a c k i n gs t r u c t u r e sa r ee x t r a c t e da n d l o a d e do nt h el o c a lm o d e lt os i m u l a t et h ef o r c ec o n d i t i o no fi t a c c o r d i n gt oc h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y , r u l e sf o rt h ec o n s t r u c t i o na n d c l a s s i f i c a t i o no fm o b i l eo f f s h o r e ( 2 0 0 5 ) ，t h ey i e l ds t r e s so fs h e l la n db e a me l e m e n t s a n dt h eb u c k l i n gs t r e s so fa l lt h es h e l le l e m e n t sa r ec h e c k e d t h ei n f l u e n c es c o p eo fb o u n d a r ye f f e c tc a nb ej u d g e di n t u i t i v e l yf r o mt h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs t r e s sn e p h o g r a mo fl o c a lm o d e l sd i f f e r e n tc a b i nc o n d i t i o n s t h eq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o no fb o u n d a r ye f f e c tc a nb eo b t a i n e df r o mt h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i so f s t r e s sd a t ao ff o u r t e e np l a t es a m p l e si nd i f f e r e n tp o s i t i o n s t h ec h e c ka n a l y s i so fg l o b a la n dl o c a lm o d e l sp r o v e st h a ti ti sf e a s i b l et od ot h e e f f e c t i v es t r e n g t ha n a l y s i so fs o p h i s t i c a t e dj a c k - u pf o rah u n d r e dm e t e r sw a t e rd e p t h i n t h i sw a ya tt h ec o m p u t e rh a r d w a r el e v e ln o w a d a y s t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so f s t r e s sn e p h o g r a ma n dd a t ao fl e gw e l la r e ai so fg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h er e s e a r c h o nh o wt oa v o i db o u n d a r ye 髓c td u r i n gt h ec a l c u l a t i o no f j a c k - u p sl e gw e l la r e a k e yw o r d s ：j a c k u p ，l o c a lm o d e l ，l e gw e l la r e a ，b o u n d a r ye 毹c t ，f i n i t ee l e m e n t ， a n s y 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，也不包含为获得墨盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乏艿 签字日期：z a 。雾年石月f 日学位论文作者签名： 爱乃 签字日期：z o o 拶年6 月f 日 ：u ，：扯、人1 王_ t f 匕h 挂m _ l 布订舢 孚但化义欣伙便用残仪节 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注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：协导师签名：粕4 新 签字日期：z 。p 年6 月f 日 签字日期：加哆年6 月s 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 。1 课题的提出及其意义 第一章绪论 随着世界经济的持续、高速增长，能源的开发利用早已称为全社会关注的热 点之一。据统计：2 0 0 4 年我国石油进口量为1 2 亿吨，2 0 0 6 年石油进口量为1 4 5 亿吨，2 0 0 7 年，我国石油进口量已经逼近2 亿吨，国内外媒体对我国石油进口 的增长使用了“超速度这个词，在可以预计的未来一段时间，我国的石油进口 量还将不断增长。海洋覆盖面积占地球表面积的7 1 ，蕴藏着巨大的自然资源， 海洋给人类提供的食物能量，等于陆地上所有耕地产品的1 0 0 0 倍，已被世界公 认为人类未来的“第二故乡，【1 1 。现代海洋资源的开发是知识、技术和资金十分 密集的产业，只有掌握先进的海洋工程技术，才能顺利进行海洋资源的开发。海 洋工程领域发展至今遇到的诸多问题中，海洋结构物的受力和运动问题一直被视 为最为基本、也最为复杂的问题之一。尤其随着海洋资源开发活动由近海向深海 的发展，海洋结构物面临的环境条件更加恶劣，这又对海洋结构物的设计和建造 提出了更高的要求。 在海洋结构物的发展方面，由于移动式平台具有较好的移动性和作业的稳定 性以及对各种水深的适应性，它既可以方便地从一个作业场所移至另一个作业场 所，又可以着底稳定作业或在运动很小情况下稳定作业，因而被广泛应用于海洋 开发的各个方面，是目前在海洋石油勘探方面用得最多的平台型式，如海洋石油 钻井、海上旌工、生活、地基勘探、海底管线铺设、海上起重、海上打桩、海上 机场、海上工厂等都可采用海洋移动式平台。海洋移动式平台是海洋资源开发的 先行工程，在海洋石油勘探开发中，总是先利用各种移动式钻井平台进行勘探， 探明油田的储量后，再进行开采工作【2 j 。 自升式平台作为移动式平台的主要型式之一，是由一个驳船形船体( 上层平 台) 和数个能够升降的桩腿所组成的海上结构物。这些可升降的桩腿能将船体上 升到海面以上定高度，支撑整个平台在海上作业。这种平台既要满足拖航移位 时的浮性、稳性方面的要求，又要满足作业时着底稳性和强度的要求，以及升降 船和升降桩的要求。为适应不同工作水深的需要，须由升降装置完成升降船和升 降桩的工作，并在着底作业时保持平台固定位置，在拖航时保持桩腿固定位置。 整个升降装置系统包括：动力系统、船体上的升降机械、桩腿上的升降结构和固 桩结构 3 1 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 从二十世纪5 0 年代开始，海上各种型式的采油平台数量增加迅猛，尤其是 自升式平台，在这一阶段得到了极大的发展。海上移动式平台最为常用的型式有 4 种，其中自升式平台占了三分之二以上。从1 9 5 4 年美国建成第一座自升式平 台开始，截至1 9 9 9 年底，太平洋地区和中东地区的移动式钻井装置共1 6 5 座， 其中自升式平台1 3 5 座，占总数的百分之八十。但是由于技术条件的局限，工程 界不能很好地计算得出结构的受力特性，设计理论和分析方法不够完善，使得在 恶劣的自然环境下自升式平台发生海损的事件时有发生；另一方面，由于操作人 员自身原因和其他各方面的原因，人为错误操作导致的自升式平台受损事件也偶 有发生。d n v 挪威船级社曾搜集了二十世纪7 0 年代移动式平台的事故情况，建 立了资料库，从平台事故统计资料中可知，有人员死亡的事故4 0 次，其中自升 式平台1 6 次，为各种型式平台事故数量最多的一种。1 9 7 9 年我国的一座自升式 钻井平台渤海2 号在移位中因操作不当导致翻沉，遇难者达7 0 多人【4 j ；1 9 8 0 年 欧洲北海挪威e k o f i s k 油田的一座五角形半潜式生活平台a l e x a n d e r k i e l l a n d 号因 一根撑杆疲劳破坏，导致其他几根撑杆和一根主要立柱随之毁坏，整个平台于 1 5 分钟之内在北海倾覆，死亡和失踪1 2 3 人，被认为是海洋工程界的泰坦尼克 灾难。 因此，对正在服役和正处于设计阶段的自升式平台进行结构有限元分析的重 要性显而易见。但在现今计算机硬件水平并不能完全满足大型结构有限元计算分 析的情况下，如何处理好结构局部重点区域的模型在整体有限元计算分析中的地 位关系显得尤为重要。 通过对本课题的研究，可以在普遍意义上得到若干有关自升式平台整体有限 元模型和局部有限元模型关系的合理化建议，可以较好地解决局部有限元模型的 边界效应问题，对目前无论是结构设计领域还是船舶检验领域大量的自升式平台 结构计算和校核具有直接的正面影响。对于在目前的计算机硬件发展水平下，如 何充分利用现有计算机资源处理好大型自升式平台整体有限元模型和局部有限 元模型的关系，合理分配计算机硬件资源，以求得到更为真实可靠的计算结果数 据，具有总结性的作用。 1 2 工程实际现状 本文课题为国内外海洋工程结构计算领域，尤其是自升式平台结构计算校核 方面经常遇到的问题之一。近百年来，伴随着力学学科发展的突飞猛进，海洋工 程界对海洋结构物的强度校核方法也发生了翻天覆地的变化。从“近代力学时期 最初的原始手动校核计算，n - 十世纪4 0 年代引入电子计算机，n - - 十世纪6 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 年代这个在力学史上被称作“现代力学时代”的时期，有限元理论的运用，对结 构进行各种简化来进行夜以继日的计算，发展到现在可以只进行有限的简化就能 模拟结构的真实情况。计算方式的发展方向，一方面是由于力学理论不断发展的 引领，另一方面，电子计算机硬件的发展速度也很大程度上影响了结构校核计算 方式方法的变迁。 随着海洋石油开发日益向深海挺进，海洋结构物面临的海洋环境也越来越严 酷，最为直接的影响就是自升式平台的桩腿越来越长，结构的漂浮稳性问题开始 显现，平台的海上就位问题也更加严重。于是，桩腿围井区域成为工程计算过程 中人们最为关注的区域。在现阶段，对自升式平台建立整体有限元模型进行整体 结构强度分析，同时对最为关心的区域，比如桩腿围井区域建立极其精细的局部 有限元模型进行更为详细的分析计算，已经成为目前海洋工程界对自升式平台进 行结构校核计算的通用方法。 在实际运用中，由于缺乏对整体有限元模型和局部有限元模型关系问题的公 认性结论，无论是从事设计的工作人员还是从事检验的工作人员，绝大多数都凭 借以往的经验来判断和处理两个模型的关系问题。这种做法显然带有强烈的主观 因素，不同的工程师由于其理论知识水平的不同和工程项目经验的差异，对该问 题的判断会出现很大的差别，由此引起的对强度计算结果的影响具有相当的不确 定因素，从而导致了最终计算结果存在一定概率的失真情况；同时，由此引起的 在计算过程中对宝贵计算机硬件资源的浪费也使得工程师在建立模型的过程中， 仍f e l 要常常顾及有限元模型的大小是否超出现有计算机计算能力的问题，从而导 致了最终的计算结果不能达到预期本来可以达到的精度和要求，对计算结果的分 析判断也会出现一定程度的偏差。 至今为止在该领域还未有具有很强针对性的研究成果，也很少有论文或者书 籍对该问题进行直接和详细的研究。因此，对该问题进行专门的分析研究是十分 的必要和有价值的，通过本课题的研究，可以得到最为可靠的建议和结论来指导 以后在该领域的进一步工作。 1 3 本文的研究内容 本文作者根据所在团队以往多年丰富的自升式平台结构分析经验，并参考了 大量自升式平台的有限元计算实例，同时参照目标平台由国外设计公司提供的全 套结构图纸，利用a n s y s 有限元分析软件强大的分析计算功能，对目标平台进 行了全面的结构有限元计算分析。本文在总体上解决了自升式平台船体结构整体 有限元模型和围井区局部有限元模型的关系问题，尤其是在整体有限元模型计算 天津大学硕士学位论文第一章绪论 的前提下，局部有限元模型如何正确选择围井区以外的舱段范围，以更好地解决 局部有限元模型的边界效应的问题。 本文的主要研究内容如下： 1 通过对全套结构图纸的查阅，对目标平台建立有限元模型，建立该平台的 整体有限元模型和桩腿围井区域局部有限元模型。 2 计算平台固定载荷、可变载荷以及各种环境载荷等，根据不同工况，将载 荷施加在模型的相应位置，对模型分三种工况进行位移分析、屈服强度分析和屈 曲强度分析，得到初步的结构强度计算结果。 3 对局部有限元模型桩腿围井区域以外的边界舱段分多种范围情况进行计 算，对各个情况下计算得到的桩腿围井区域各板的应力云图进行对比，以直观的 方式得到边界效应在计算中对围井区应力结果的影响情况。 4 。在不同边界舱段的前提下，对不同位置不同受力特征和不同类型的板的应 力结果进行对比，从数值上分析得到边界效应对围井区计算结果的影响情况。 5 综合应力云图对比和应力数据分析的结果，得出有关围井区局部有限元模 型边界效应问题的合理化建议。 丘 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 第二章结构有限元分析基本理论 有限单元法又称有限元素法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，是二十世纪5 0 年代末6 0 年代初兴起的应用数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边 缘科学，是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其物理实质 是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度的问题为有限自由度的问 题，而数学实质是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方 程求解问题为有限个参数的代数方程组的求解问题。有限元方法可以求解许多 过去用解析方法无法求解的问题，对于边界条件和结构形状都不规则的复杂问 题，有限元方法是一种行之有效的现代分析方法。4 0 多年来，有限元经历了产 生、发展和完善的三个历史时期，有限元理论与计算机科学的完美结合成为现 代力学的重要标志。 2 1 有限元发展概况 5 】 有限元思想并非现代的产物，早在公元三世纪，我国古代数学家刘徽就提 出用割圆术求圆周长的方法，即用有限个正多边形逼近圆周，边数越多，周长 与直径的比值就越接近一个常数。例如分别用边数n = 4 ，6 ，8 和2 0 的正多边形 逼近半径为r 的圆周，周长与直径比分别为2 8 2 8 、3 0 1 、3 0 6 和3 1 3 ，向兀 = 3 1 4 1 5 9 2 6 逼近，这就是有限元思想的萌芽。 经典结构力学计算中采用的刚架位移，将原本是连续体的刚架看成是仅仅 在刚架的有限个节点处连接的杆件组合体，将复杂的杆系结构的计算问题转变 为简单杆件的分析和综合问题，这种化整为零，集零为整的方法就是有限元方 法的基本思路。 二十世纪3 0 - - 5 0 年代，在进行复杂的飞机结构计算时，对于复杂的刚架、 蒙皮、骨架的计算引入了矩阵表达方法，使刚架位移法的计算更加规范。矩阵 代数是有限元方法的数学工具。， 现代有限元方法的发展始于二十世纪4 0 年代，这依赖于电子计算机的发 展。1 9 4 6 年第一台计算机在美国投入运行，人们惊喜地发现结构力学的矩阵表 达方法特别适用于电子计算机编写的程序，能轻而易举地解决以往人们不敢问 津的复杂结构的计算问题。因为，如果没有计算机，矩阵方法和有限元方法产 生的大量代数方程的解决仍然是十分困难和实际不可能的。因此，可以说计算 天津大学硕士学位论文第二章结构有限元分析基本理论 机的出现是有限元方法得以发展的物质基础。 从应用数学角度看，有限元方法的基本思想由c o u r a n t 在1 9 4 3 年提出，他 尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合来求解 s t v e n a n t 扭转问题。1 9 5 6 年，美国波音公司t u r n e r 等人在美国宇航局的年会上 宣布，他们将求解杆件结构的方法推广到求解连续体力学问题，将连续的弹性 平面区域离散为有限个几何形状简单的三角形或四边形单元，这些单元仅在有 限个节点连接，并在数学上采用了矩阵表达方法。这是有限元方法的第一次成 功尝试。1 9 6 0 年美国加州大学伯克利分校的rwc l o u g h 第一次使用了“有限 元这一名词。从此，有限元方法以其无比的优越性迅速占领了弹性静力学领 域，将弹性结构静力学的理论研究和应用水平推向新的高度。1 9 6 4 年包括美籍 华裔科学家卞学璜在内的一批科学家，发现了有限元方法的实质是弹性力学变 分原理中瑞利一里兹方法的变种，奠定了有限元方法的数学基础。有限元方法因 此又称为现代变分方法，因为变分方法是一种普遍的数学方法，并不涉及变分 问题的物理背景和工程实质，因此很快冲出了弹性静力学的范畴而扩展到固体 力学的其他领域。n - 十世纪6 0 年代中期以后，有限元方法已经从小应变、小 位移、弹性材料和静力分析发展向大变形、热分析、材料非线性和杆件屈曲问 题，以及粘弹性问题、动力学问题的研究，继而又渗透到热传导、电磁场等非 力学领域、生物力学领域的许多研究。 可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限元 方法作为一个具有稳固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在工程 分析和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。 2 2 有限元分析原理【6 】【7 】 有限元法借助于结构力学的刚架位移法，但是比刚架位移法有更深刻的数 学和物理基础，就杆系结构来说，每一个杆件就是一个单元，杆件的两个端点 就是单元的节点；而一个复杂的弹性体是由无限个质点组成的连续体，具有无 限个自由度。有限单元法是将连续体人为地划分为有限数量的单元的集合体， 这些单元仅仅在有限个公共点、交线或公共表面连接，载荷都作用在节点上， 因而仅有有限个自由度。这个由无限自由度转化为有限自由度的过程称为离散 化。离散化是有限元方法的核心，也是连续体的有限元方法与传统的结构矩阵 分析方法的区别之一，有限单元法与矩阵位移法的另一个重要区别是在矩阵位 移法中每个杆件的力与变形关系都是明确的，由杆端力和杆端位移都能通过材 料力学计算公式推导出杆件内部的力和位移，而有限单元法需要在一个单元的 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 局部范围内用简单函数描述单元内部各点的位移变化，最后形成节点位移和单 元内部各点位移关系的单元位移形态函数，这是有限元方法的精华。 有限元法可分为两大类，即线弹性有限元法和非线性有限元法。其中线弹 性有限元法是非线性有限元法的基础，二者不但在分析方法和研究步骤上有类 似之处，而且后者常常要引用前者的某些结果。 线弹性有限元方法以理想弹性体为研究对象，所考虑的变形建立在小变形 假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义虎克 定律；应变与位移也是线性关系。线弹性有限元问题归结为求解线性方程组问 题，所以只需较少的计算时间。如果采用高效的代数方程组求解方法，也有助 于降低有限元分析的时间。 线弹性有限元方法的计算流程如下： ( 1 ) 在线弹性有限元中由于要采用物体坐标多项式形式来近似物体的变形 形状，故可以得到用来以节点坐标表示物体各点位移的位移函数。 ( 2 ) 由弹性力学中的几何方程一应变与应力的关系，并经由位移函数与微 分算子得到应变矩阵。 ( 3 ) 由物理方程通过物体的本构关系得到应力矩阵。 ( 4 ) 最后由最小位能原理建立平衡方程，求出单元的单元刚度矩阵。 ( 5 ) 根据划分的单元组成总刚度阵并列出节点载荷阵联立求解方程组。 ( 6 ) 根据解出的节点位移近似物体的变形并利用应力矩阵求解单元应力。 非线性有限元问题与线弹性有限元问题有很大不同，主要表现在以下三个 方面： ( 1 ) 非线性问题的方程是非线性的，因此一般需要迭代求解； ( 2 ) 非线性问题不能采用叠加原理； ( 3 ) 非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 有限元法所解的非线性问题可以分为三类：材料非线性问题、几何非线性 问题和非线性边界。 2 2 1 有限元分析过程 有限元法分析过程大体分为前处理、分析、后处理三大步骤。 在采用有限元法进行连续体结构分析时，首先必须对结构进行离散，形成 有限元网格，并给出与此网格相应的各种信息，如单元信息、节点坐标、材料 信息、约束信息和载荷信息等，这种工作称为原始数据的准备。对实际的连续 体经过离散化后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元的前处理过程。 在这一阶段，要构造计算对象的几何模型，划分有限元网格，生成有限元分析 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 的输入数据。这一步是有限元分析的关键。利用计算机进行有限元数据的自动 生成和图形处理是当今有限元法研究的一个重要内容，它可以极大地提高工作 效率和保证计算数据的正确性。 有限元分析过程主要包括单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求 解约束方程等过程。这一过程是有限元分析的核心部分，有限元理论主要体现 在这一过程中。有限元法包括三类，即有限元位移法、有限元力法、有限元混 合法。在有限元位移法中，选节点位移作为基本未知量；在有限元力法中，选 节点力作为基本未知量；在有限元混合法中，选一部分基本未知量为节点位移， 另一部分基本未知量为节点力。有限元位移法计算过程的系统性、规律性较强， 特别适宜于编程求解。一般除板壳问题的有限元法应用一定量的混合法外，其 余全部采用有限元位移法。 有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理、编辑组织和图形表 示三个方面。它可以把有限元分析得到的数据，进一步转换为设计人员直接需 要的信息，如应力分布状况、结构变形状态等，并绘成直观的图形，从而帮助 设计人员迅速地评价和校核设计方案。现代计算机丰富的图形处理功能使数据 整理方式更加高效，为直接输出各种图形和表格创造了条件。 2 2 2 有限元法优缺点 有限元法由于其特有的理论和过程，其优点是显而易见的。 ( 1 ) 整个系统离散为有限个单元，并将整个系统的方程转换成一组线性联 立方程，从而可以用多种方法对其求解。 ( 2 ) 边界条件不进入单个有限单元的方程，而是在得到整体代数方程后再 引入边界条件。这样，内部和边界上的单元都能够采用相同的场变量模型，而 且当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。 ( 3 ) 有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是 连续的，而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。 ( 4 ) 有限元法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域或 单元采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用。 ( 5 ) 有限元法能够很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀性 则很困难。 ( 6 ) 有限元法适用于线性或者非线性场合。 ( 7 ) 有限元法能够在不同层面上得到阐释或理解。对有较深数学知识的人 来说，完全可以用数学语言来描述，并获得严格推理。而对一般工科学生来说， 可以只从物理层面上得到理解。 8 天津大学硕士学位论文第二章结构有限元分析基本理论 另外，有限元法在应用上，也表现出一定的缺点。 ( 1 ) 有限元计算，尤其是在对复杂问题的分析上，所耗费的计算资源是相 当惊人的，计算资源包括计算时间、内存和硬盘空间等。这一点也是本课题产 生的重要现实背景之一。 ( 2 ) 对无限区域问题，有限元法较难处理。 ( 3 ) 尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格的技术，但到底采用什么 样的单元、网格的密度多大才合适等问题，完全依赖于经验。 ( 4 ) 有限元分析所得结果并不是计算机辅助工程的全部，而且个完整的 设计，不能单独使用有限元分析完成，必须结合其他分析和工程实践才能完成 整个工程设计。 2 3a n s y s 软件介绍 有限元软件是与有限元方法同时诞生的，并随着有限元方法和计算机技术 的发展而迅速发展。有限元方法是与工程应用密切结合，直接为工程设计服务， 因此，各种有限元结构分析程序，即有限元软件，使有限元方法转化为直接推 动社会发展和科技进步的生产力，产生了巨大的社会和经济效益。有限元软件 本身已经成为c a d c a m 不可分割的一部分。同时，以有限元软件为依托的力 学学科一一计算力学，异军突起，将力学理论应用于工程实践，使古老的力学 科学在二十世纪末仍然闪耀着强大的生命之光。有限元软件的应用极大地提高 了力学学科解决自然科学和工程中的力学问题的能力，成为力学工作者通向工 程实践以及邻近科学领域的桥梁。它的一个重要特点是与工程应用直接联系， 解决了许多用传统的理论和方法无法解决的工程问题。促进了力学学科的发展 以及力学为工程服务能力的提高。 有限元软件就是有限元方法的计算机程序或程序系统，有通用和专用两种。 前者通常是商业软件，优点是通用性强，格式规范，输入方法简单，用户无需 特殊记忆也不需要太多专业知识和计算机技能，解决问题领域宽，因而流行范 围广，缺点是程序通常很大，因而开发成本高。专用程序的优点是程序相对短， 开发价格低，版本升级相对容易，解决专门问题更有效。 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 通用有限元 分析软件，是我国引入的通用有限元著名软件之一，该程序是由世界著名的力 学分析专家、美国匹兹堡大学教授js w a n s o n 创建的s a s i 公司于1 9 7 0 年推出 的。 a n s y s 可用于二维或三维系统的有限元静力、动力、热、线性或非线性分 天津大学硕士学位论文第二章结构有限元分析基本理论 析。通过把热分析的输出与结构的输入直接相连，a n s y s 可进行热应力分析。 除了强大的分析能力以外，a n s y s 还包含前、后处理部分，并能支持广泛的图 形显示设施。 模型和载荷生成的前处理及其检验包含在a n s y s 当中。网格和外载均可 自动生成，而且可通过图形显示加以验证。每一命令都有主控文件。a n s y s 后 处理支持很多图形功能隐线、截面、x y 绘图、畸变形状和应力及温度的 等值图。a n s y s 后处理还包括一种数据库语言，因而能有选择地检查结果。 a n s y s 还有很多与c a d 系统连接的接口。 2 4 单元特性简介 8 】 本文采用有限元分析软件a n s y s1 0 0 对目标平台进行计算分析。对平台 船体结构板材的模拟，使用了板单元s h e l l 6 3 ；对船体主梁和次梁的模拟，使 用了梁单元b e a m l 8 8 ；对桩腿撑杆和围井区撑杆的模拟，使用了管单元 p i p e 5 9 ；对海底土壤对桩腿底部桩靴作用的模拟，使用了弹簧单元c o m b i n l 4 。 本节重点介绍以上几种单元的单元特性。 2 4 1s h e l l 6 3 单元特性 s h e l l 6 3 作为一种弹性壳单元，既具有弯曲能力又具有膜的特性，可以承 受平面内荷载和法向荷载。该单元每个节点具有6 个自由度：沿节点坐标系x 、 y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动。同时考虑了应力刚化和 大变形能力，在大变形分析( 有限转动) 中可以采用不变的切向刚度矩阵。 s h e l l 6 3 单元的几何形状、节点位置及坐标系如图2 - 1 所示，单元定义需要四 个节点、四个厚度、一个弹性支座刚度和正交各向异性的属性。在单元的面内， 其节点厚度为输入的四个厚度，单元的厚度假定为均匀变化。正交各向异性材 料方向与单元方向相对应。 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 气 箕中：嚣没窍定义单元坐椽系时魏x 辘 x 鬻定义了攀元坐标系蹴豹x 辘 该单元形函数为t 图2 1s h e l l 6 3 单元几何示意图 “= 丢( “，( 1 一j ) ( 1 一f ) + m ( 1 + 5 ) ( 1 一f ) + “。( 1 + s ) ( 1 + f ) + “，( 1 一s ) ( 1 + f ) ) v = i 1 ( v f ( 1 一s ) ( 1 一f ) + 1 ，( 1 + s ) ( 1 一f ) + v ( 1 + s ) ( 1 + f ) + v ，( 1 一s ) ( 1 + f ) ) 而w 没有特殊定义，如图2 2 所示。 图2 - 2s h e l l 6 3 单元形函数参数示意图 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 天津大学硕士学位论文第二章结构有限元分析基本理论 2 4 2b e a m l8 8 单元特性 b e a m l 8 8 作为三维线性( 二节点) 有限应变梁单元，适合于分析从细长 到中等粗短的梁结构，由于一阶剪切变形的限制，只有适度的“粗”梁可以分 析，梁的长细比可以用来判定单元的适用性。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。铁木辛哥梁理论是一阶剪切变形理论，其横向剪切 应力在横截面是不变的，也就是说变形后横截面保持平面而不发生扭曲。 b e a m l 8 8 单元是一阶铁木辛哥梁单元，沿着长度用了一个积分点，因此，在i 和j 节点要求s m i s c 数值的时候，中间数值在两端节点均输出。 b e a m l 8 8 单元每个节点有六个或者七个自由度，分别是节点坐标系的x 、 y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动以及横截面的翘曲。这个单元非常适 合线性、大角度转动和非线性大应变问题。b e a m l 8 8 单元可以采用s e c t y p e 、 s e c d a t a 、s e c o f f s e t 、s e c w r i t e 以及s e c r e a d 定义横截面。该单元支 持弹性、蠕变及素性模型( 不考虑横截面子模型) ，同时，这种单元类型的截面 可以是不同材料组成的组和截面，但多材料截面能力仅仅在梁的行为假定( 铁 木辛哥或者伯努力欧拉梁理论) 成立的时候能运用。b e a m l 8 8 单元提供的截 面的属性，使之与b e a m 4 单元相比具有更高的精度，所以在使用b e a m l 8 8 单元的时候要正确的设置截面。另外，b e a m l 8 8 是两节点的单元，适合大部 分的直线单元的情况。 b e a m l 8 8 从a n s y s6 0 版本开始忽略任何实常数，单元坐标系统与 b e a m l8 8 单元无关，b e a m l8 8 单元的几何形状、节点位置与坐标系统相对关 系如图2 - 3 所示。该单元在全局坐标系中通过节点i 和j 来定义；节点k 是用 来定义单元方向的节点( 方向节点) 。 z 图2 - 3b e a m l8 8 单元几何示意图 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 b e a m l 8 8 可以在没有方向节点的情况下被定义。在这种情况下，单元的x 轴方向为i 节点指向j 节点。对于两节点的情况，默认的y 轴方向按平行x y 平面自动计算。对于单元平行于z 轴的情况( 或者斜度在0 0 1 以内) ，单元 的y 轴的方向平行于整体坐标的y 轴。 2 4 3p i p e 5 9 单元特性 p i p e 5 9 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。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。p i p e 5 9 还可以模拟缆索单元，同时适合刚度硬化和 非线性大应变问题。p i p e 5 9 单元的几何图形、节点位置及坐标系统等信息如图 2 4 所示。 z 茏拶为瓤元筠缁坐标畚 图2 - 4p i p e 5 9 单元几何示意图 对于海浪，海流和水密度通过w a t e rm o t i o nt a b l e 输入，如果不输入，就不 会考虑水的作尉，具体如图2 - 5 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 图2 - 5p i p e 5 9 单元流体作用示意图 2 4 4c o m b i n l 4 单元特性 弹簧单元c o m b i n l 4 具有一维、二维或三维应用中的轴向或扭转的性能。 该单元没有质量，质量可以通过其他合适的质量单元添加，弹簧或阻尼特性可 以在单元里去除。c o m b i n l 4 单元几何示意图如图2 6 所示，其中二维单元必 须位于z = 常数的平面内。 z 图2 - 6c o m b i n l 4 单元几何示意图 天津大学硕士学位论文 第二章结构有限元分析基本理论 该单元由两个节点、一个弹簧常数( k ) 和阻尼系数( c ，) 。和( c ，) ：组成，阻 尼特性不能用于静力或无阻尼的模态分析。轴向弹簧常数的单位是“力长度”； 阻尼系数的单位是“力木时间长度 ；扭转弹簧常数和阻尼系数的单位是“力，l c 长度弧度”和“力木长度木时间弧度”。单元的阻尼部分是把阻尼系数传到结构 阻尼矩阵。轴向弹簧刚度只作用沿其长度方向，扭转弹簧单元刚度就像扭转棒， 作用于绕其长度方向。同时，该单元只允许在弹簧中有单一应力，且在结构分 析计算中，只允许应力刚化和大变形情况。 天津大学硕士学位论文第三章自升式平台有限元模型的建立 第三章自升式平台有限元模型的建立 自升式平台在结构方面，主要由三大部分组成：上层平台( 上船体) 、桩腿 ( 带沉垫或不带沉垫) 和固桩结构，它们都有各自重要的功能。上层平台主要 提供生产和生活的场地，并在拖航时提供浮力，其结构型式以三角形和矩形居 多，也有五角形的。桩腿的主要作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受的 载荷传递给海底地基，根据海底地基情况选用插桩式或带沉垫的桩腿，根据工 作水深选用壳体式或桁架式桩腿，桩腿的外形有圆形、三角形、方形等。固桩 结构包括固桩架、固桩块等，其作用是将船体的载荷传递给桩腿，再传递给海 底地基，所以也称它为载荷传递结构。无论在正常钻井作业或拖航时，都需要 把船体和桩腿之间的间隙通过固桩楔块紧紧固定在一起，一般每个桩腿有上、 下两处固桩，因为在上、下固桩处，桩腿承受很大的弯矩，为了减小固桩处的 水平力，需将上、下两个固桩位置之间的距离加大，所以对插桩式平台常设置 固桩架，将上固桩架位置放在圃桩架上部，下固桩架位置设在靠近平台底部以 上的地方。整体沉垫式桩腿的固桩弯矩较小时，也可不设固桩架，在平台上甲 板和靠近平台底板处固桩，用固桩楔块固定。 自升式平台作为典型的移动式平台，具有以下几个显著的特点： ( 1 ) 作业位置的可移动性：它的作业位置不是固定在一个永久的位置，而 是可以在不同海域、不同水深、不同方位作业。因此，在设计时要考虑适应较 广泛海域的海洋环境条件。这一特点使得自升式平台特别适合中小油田和边际 油田的开发，这是一般导管架平台难以替代的。 ( 2 ) 作业时平台的运动性：运动性是自升式平台的一大重要性能，在设计 时应考虑其运动性能，并进行结构动力分析。 ( 3 ) 作业状态的多变性：自升式平台有拖航、就位、正常作业：风暴自存 等各种工作状态。在拖航时处于漂浮状态，具有船舶的性能和特点；而在着底 时既要求它象固定平台那样稳定，又不要求象固定平台那样永久固定。 ( 4 ) 自升式平台是一项综合性工程，它涉及海洋环境、流体力学、结构力 学、土力学、钢结构、船舶和计算技术等多门学科知识，包括总体、结构、机 械、电气、舾装、作业工艺与设备等的设计、建造和检验。因此，应利用多门 学科的专业知识进行综合设计。 ( 5 ) 自升式平台事故率较高，为保证安全，要进行严格检验。 本次计算选择的目标自升式平台船体结构设计有专门的固桩架，固桩架同 天津大学硕士学位论文第三章自升式平台有限元模型的建立 时也设计作为吊机支座，支撑吊机进行工作。从平台结构方面，在相对较大的 船体尺寸的前提下，该平台的基本型式设计在国内现有自升式平台领域是很少 见的，特别是固桩区域，3 5 0 英尺水深决定了其相对更长的桩腿，另外，以节 省平台甲板空间为目的的固桩架上的吊机设计，也使得固桩区域的受力更加复 杂化。所以，对固桩区域建立局部有限元模型进行专门的静力分析是十分必要 和重要的。 3 1 目标平台简介 本课题选取的自升式平台为三桁架腿结构，船体外形为类三角形，船艏、 船艉左端和船艉右端各布置有三个固桩区，以船底板为基准，在水平方向的+ o 、 + 1 5 、+ 4 5 和+ 8 米处分别布置有b o t t o m 、t a n k t o p 、t w e e n d e c k 和m a i n d e c k 四层板，船艏固桩区前端设计有直升飞机甲板，船艏固桩区左右两边设计有两 个生活楼单元，甲板中后部为悬臂梁区域。 该平台主要技术参数如下： 平台型长 6 5 2 5 m 平台型宽 6 2 0 0 m 平台型深800m 桩腿总高( 包括桩靴) 1 4 7 4 0 m 桩靴面积 1 5 0 0 0 m 2 桩腿中心间距4600m 最大工作水深 1 0 6 7 0 m 3 5 0 英尺水深时，平台工作