（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）在役自升式平台作业状态下强度评估.pdf

中文摘要 自升式平台是一种海上活动式钻井装备，由于海洋平台造价十分昂贵，因此 自升式平台一般都经历过较重大的结构和设备改造，很多是服役超过1 5 年以上 的平台。这些平台长期在恶劣的海洋环境中作业，不可避免地产生各种腐蚀、变 形、裂纹、损伤甚至造成结构破坏，从而降低了平台的工作能力，甚至影响平台 的作业安全，因此对老龄平台进行结构强度安全校核是十分必要的。 本文综述了自升式平台静力强度分析的技术发展和研究现状，提出了平台钻 井工作状态下静力强度的计算方法。考虑风、浪、流等环境载荷以及工作状态时 作业载荷，研究了平台的结构特性和受力特点。在建立桩腿弦杆模型时，考虑既 要保证桩腿可以计算水动力，又能够达到更好的模型仿真效果，本文提出了自定 义梁截蔼、建立虚拟单元、耦合节点的解决方法。 本文以某一自升式平台为研究对象，基于大型有限元分析软件a n s y s ，针对。 平台钻井作业工况，建立平台整体模型：悬臂梁、围阱区、主船体、桩腿、桩靴 等模型，对桩腿进行边界约束，并处理了悬臂梁一主船体、围阱区一桩腿的连接， 施加环境和作业载荷，通过a n s y s 的静力分析计算获得平台的位移以及应力分 布，并按照规范对计算结果进行强度校核。 计算结果表明，固桩区是典型的高应力区，但是无论是单向应力还是合成应 力( y o nm i s e s 应力1 都未超过规范状态，平台主体的型材结构的应力也都没有超 过材料的许用应力。在甲板槽口板与船体艉封板连接区域的板内应力，在一些位 置明显偏高，甚至超过材料的屈服极限。通过补强使其整体结构的静态强度满足 规范要求。桩腿最大应力均出现弦杆上，其他杆件所受应力较小，对桩腿强度影 响不大。 关键词：自升式平台有限元模型作业状态强度评估 a b s t r a c t j a c k u pi sak i n do fm o v a b l eo f f s h o r ed r i l l i n ge q u i p m e n t , i ti st h em o s to f t e nu s e d d r i l l i n gp l a t f o r mi no f f s h o r ep e t r o l e u me x p l o r a t i o ni nc h i n a d u et ot h eh i g hc o s to f o f f s h o r ep l a t f o r m s ，t h ej a c k - u p sa r eu s u a l l yt r a n s f o r m e ds i g n i f i c a n t l yi ns t r u c t u r e sa n d e q u i p m e n t si nt h e i rl i f es i n c em a n yj a c k u p sa r ei ns e r v i c ef o rm o r et h a n 15y e a r s b e c a u s et h e s ep l a t f o r m sw o r ki nt h eh a r s hm a r i n ee n v i r o n m e n ti na1 0 n gt e r m ， c o r r o s i o n ，d e f o r m a t i o n ，c r a c k sa n ds t r u c t u r a ld a m a g e si n e v i t a b l yo c c u r , w h i c hr e d u c e t h es e r v i c ea b i l i t yo ft h ep l a t f o r m sa n de v e na f f e c tt h eo p e r a t i o ns e c u r i t yo ft h e p l a t f o r m s s oi ti sn e c e s s a r yt oc h e c kt h es a f e t yo fs t r u c t u r a ls t r e n g t ho ft h ea g i n g p l a t f o r m s t h i sp a p e rs u r v e y st h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a ：c u so ft h es t a t i c s t r e n g t ha n a l y s i so ft h ej a c k - u p s ，p r o v i d e sac o m p u t i n gm e t h o do fs t a t i cs t r e n g t hi nt h e o p e r a t i n gs t a t u so ft h ep l a t f o r m s c o n s i d e r i n gt h ee n v i r o n m e n t a ll o a do fw i n d ，w a v e a n dc u r r e n ta sw e l la st h eo p e r a t i n gl o a di nt h ed r i l l i n gc o n d i t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea n df o r c eo ft h ej a c k - u p s w h e nb u i l d i n gt h em o d e lo ft h e c h o r do ft h el e g s ，c o n s i d e r i n gt h eh y d r o d y n a m i cf o r c ec a nb ec a l c u l a t e db yt h el e g s a n dab e t t e rs i m u l a t e de f f e c tc a l lb ea c h i e v e d ，t h i sp a p e ru s e st h em e t h o d so f c u s t o m b e a m ，t h ev i r t u a le l e m e n ta n dc o u p l e dn o d e b a s e do nt h el a r g ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h i sp a p e rt a k e saj a c k u pa s a na n a l y t i ct a r g e tt ob u i l dt h ei n t e g r a t e df e mm o d e lo ft h ej a c k - u pi nt h eo p e r a t i n g s t a t u s ，i n c l u d i n gc a n t i l e v e rb e a m ，j a c kh o u s es t r u c t u r e ，t h em a i nh u l l ，l e g s ，p i l es h o e s e t c ，t oi m p o s et h eb o u n d a r yc o n s t r a i n to nt h el e g s ，t od e a lw i t ht h ec o n n e c t i o no f c a n t i l e v e rb e a ma n dt h em a i nh u l l ，j a c kh o u s es t r u c t u r ea n dl e g sa n dt oi m p o s et h e e n v i r o n m e n ta n do p e r a t i o nl o a d so nt h em o d e l a c c o r d i n gt oa n s y ss t a t i ca n a l y s i s , t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f j a c k - u pa r eo b t a i n e d ，a n dt h e nc h e c kt h e s t r e n g t hc a l c u l a t i o nr e s u l t si na c c o r d a n c ew i t ht h es t a n d a r d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ej a c kh o u s es t r u c t u r ei st h et y p i c a lh i g h s t r e s s r e g i o n ，h o w e v e r , n e i t h e ru n i a x i a ls t r e s sn o rr e s u l t a n ts t r e s sw o n m i s e ss t r e s s ) e x c e e d s t h es t a n d a r d t h es t r e s so ft h es e c t i o n a lb a ro fm a i ns t r u c t u r eo ft h ej a c k u pa l s o d o e s n te x c e e dt h em a t e r i a la l l o w a b l es t r e s s t h es t r e s si nt h ep l a t eo ft h ec o n n e c t i n g r e g i o no ft h es l o ti nt h ed e c kp l a t ea n dt h es t e r nt r a n s o mp l a t e ，i so b v i o u s l yh i g hi n s o m ep l a c e s ，e v e nh i g h e rt h a nt h ey i e l ds t r e s so ft h em a t e r i a l t h r o u g hr e i n f o r c e m e n t , t h es t a t i cs t r e n g t ho ft h ei n t e g r a t e ds t r u c t u r em e e t st h es t a n d a r d t h er e s u l ts h o w st h a t t h es t r e n g t ho ft h ec h o r di st h ef a t a lf a c t o ro ft h el e g s ，o t h e rr o dp i e c e ss u f f e r i n gl e s s s t r e s sa n dh a v i n gl i t t l ee f f e c to nt h es t r e n g t ho fl e g s k e yw o r d s ：j a c k - u p ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，o p e r a t i o n c o n d i t i o n ，s t r e n g t h e v a l u a t i o n 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，也不包含为获得苤鲞苤茎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。 学位敝作者签名夏砌劲签字嗍矽7 年多月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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： 乏劫觋 导师签名： 甸俨夏p 签字日期：沙7 年多月争日 签字日期： 砷年乡月 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 全球海底蕴藏的石油天然气等资源约占海陆石油总资源量的6 0 以上。目前 全球已有5 0 多个国家在进行深海勘探。海洋平台是一种海洋工程结构物，它为 开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。海洋平台发展过程中，固定 式海洋平台出现最早，依靠重力或桩基固定在海底，不能自由移动。主要用于进 行浅海、较浅海地带的海洋石油开采，适应水深一般在3 0 0 米以下。顺应式平台 是近几十年来发展非常迅速的一类平台，依靠自身的柔性，可以很好地降低波浪 对平台的影响，主要用于深海的海洋石油开采，+ 适应水深可以从3 0 0 米到2 0 0 0 米以上。活动式海洋平台种类很多，其主要特点是在完成某一个项目后，可以移 动到另一个地点进行工作。活动式平台可以应用在钻探、开采、储油、运输等各 个领域，适应水深范围可以从2 0 米到3 0 0 0 米以上。在各种形式的钻井平台中， 自升式平台具有举足轻重的地位l l j 。 由于海洋平台造价十分昂贵，建造平台耗资巨大，因此自升式平台一般都经 历过较重大的结构和设备改造，很多是服役超过1 5 年以上的平台。这些平台长 期在恶劣的海洋环境中作业，受到不同海洋环境载荷的共同作用( 主要来自风、 浪、流、冰和地震等) ，不可避免地产生各种腐蚀、变形、裂纹、损伤甚至造成 结构破坏，从而降低了平台的工作能力，甚至影响平台的作业安全，因此对老龄 平台进行结构强度安全校核是十分必要的l z j 。 1 2 自升式平台简介和发展现状 自升式平台是由平台、桩腿和升降机构组成的大型海洋钻井平台。平台主要 提供生产作业和生活场地，并在拖航中提供浮力，保证拖航稳性。平台主体的平 面形状一般有三角形( 三桩腿) 、矩形( 四桩腿) 和五角形( 五桩腿) 等。 桩腿主要为了完成升降并支持平台在海上作业。桩腿的结构形式分为壳体式 和桁架式两类。壳体式桩腿由钢板焊接成封闭形的结构，其横截面有圆形和方形 天津大学硕士学位论文第章绪论 两种。早期的自升式平台桩腿多为圆柱壳体。为配合升降装置，桩腿上有的设有 销孔，有的装有齿条。壳体式桩腿一般用于工作水深6 0 - 7 0 m 以下，深水的自升 式平台都采用桁架式桩腿。桁架式桩腿由弦杆、斜撑杆和水平撑杆组成。在弦杆 上装有齿条。为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端可设计成单独带桩腿 箱，亦称桩靴，早期的自升式平台也有设计成整体沉垫的形式。 升降机构能使桩腿和平台主体实现上下相对运动，或把平台主体固定于桩腿 的某一位置。升降装置常用的有电动液压式和电动齿轮齿条式两类。电动液压升 降装置常用于壳体式桩腿，它利用液压缸中活塞杆的伸缩带动环梁上下运动，并 利用锁销将环梁和桩腿锁紧而实现平台和桩腿的相互运动。电动齿轮齿条升降装 置常用于桁架式桩腿，它由电动机经过减速机构带动齿轮转动，使齿轮与桩腿上 的齿条啮合而完成平台主体与桩腿之间的相互运动，当电动机处于制动状态时， 则可把平台主体固定于桩腿的某一位置。 根据平台钻井区域结构形式的不同可分为槽口式自升式平台和悬臂梁式自 升式平台。槽口式平台在主体的尾端开有槽口，钻台及井架位于井口槽的上面， 钻台上的钻杆向下通过井口槽到达海底。悬臂梁式平台不在主体结构上开槽，但 在甲板上设有两道相互平行的钢梁，钻台及井架安置在钢梁上，钢梁可在滑轨上 移动并连同钻台及井架一起伸向平台尾端舷外，成为悬臂式结构。相比之下，悬 臂式平台不仅可以钻勘探井，还可以钻生产井，也可进行修井作业，而且井架活 动范围大，每次插桩作业钻井数量多，因此比槽口式平台具有更高的效率。不过， 悬臂梁的载荷受强度的限制比较大l 3 j 。 自升式平台产生于1 9 5 1 年，截至1 9 9 9 年底，太平洋及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以上。1 9 9 9 年 在建的3 0 座平台中，有1 0 座是自升式平台l 4 j 。自升式平台在我国的发展比较 晚，国内使用的自升式平台大部分是从国外引进购买的，但是随着我国海洋开发 的快速发展，在自升式平台设计、建造、安装、维护方面，都取得了长足的进步。 由于这种平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，目前占我国移动平 台总数的8 0 左右。 1 9 7 2 年，我国设计建造了“渤海1 号”液压自升式钻井平台，工作水深3 3 m ， 钻井深度4 0 0 0 m ，采用圆柱式桩腿，用于渤海。 1 9 7 9 年，我国设计建造了“渤海5 号”，“渤海7 号”液压自升式钻井平台， 工作水深4 0 m ，采用圆柱式桩腿，适用于渤海和南黄海。 1 9 7 3 年，我国引进了“渤海2 号”沉垫自升式钻井平台，工作水深9 0 m 。之 后又从新加坡、日本引进了齿轮齿条自升式钻井平台“渤海4 号”、“南海1 号”、 “勘探2 号”，他们都采用了桁架式桩腿，工作水深9 0 m 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 我国的石油公司也从国外引进了一些自升式平台，如：沉垫自升式钻井平台 “渤海6 号”，工作水深7 6 m ；插桩自升式平台“渤海8 号”、“渤海1 0 号”，工 作水深7 6 m 5 。 1 3 自升式平台结构静力分析研究动态 对于平台所受载荷研究，主要集中在风、浪、流等环境载荷上，而波浪载荷 更是研究的重点。波浪载荷与波浪理论密切相关，常用的波浪理论有线性波理论、 坦谷波理论和椭圆余弦波理论，而在海洋工程界采用更多的则是s t o k e s 发展的 有限波幅理论。自从1 9 5 1 年，m o r i s o n 和他的同事们在大量试验与理论研究基础 上提出著名的m o r i s o n 公式计算平台桩腿波浪力以来，一直沿用至今l i j j 。 在平台结构的应力计算方面，有限元分析方法日趋成熟。申仲翰等针对钢结 构海洋平台整体安全问题，采用了多级评估原则，评估方法从粗到细，从简单到复 杂排成一个等级序列。徐松森提出上下分体的自升式平台结构形式及其作业方式， 通过提高平台支撑结构刚度，减小平台上部结构尺度、重量及所受外载荷作用， 降低自升式平台造价，以减缓自升式平台造价随作业水深增加而急剧上升趋势。 李春群、孙东昌针对自升式平台上外载荷进行分析计算，以保证平台海上作业的 安全性，并讨论了一种小型的自升式平台在外载荷作用下的受力分析，其中包括 外力作用下平台抗倾覆能力以及外载荷与平台承载力之间的关系。唐友刚等通过 对某海上移动式钻井平台进行有限元法强度分析，找到了平台发生局部损坏的原 因，结果显示，在极端工况条件下，对该平台悬臂梁改造导致弯矩剧增，使局部应 力超过需用应力而造成损坏。戴大农等采用三维等参元和三维相对自由度壳元的 组合模型和子结构技术对海洋平台管节点的应力进行了有限元分析，欧进萍等利 用整体推进法分析了导管节平台的极限承载能力。在整体结构有限元分析中，由 于构件众多，经常采用等效刚度法，将实际结构中的组合型材简化成刚度等效的 梁单元一等效梁。屈曲也是结构的主要失效模式之一。关于等值梁和矩形板的屈 曲已经有了精确解，关于类似平台甲板单层板格屈曲和后屈曲的研究也非常活 跃。s h a n m u g a l n 等对受轴向和横向压力作用的四边简支加筋板的屈曲进行了试 验研究，结果表明随着板柔度的增加，加筋板的极限承载能力下降的非常快。我 国学者王震鸣等探讨了有缺陷金属和复合材料加筋板壳的面板在局部屈曲前后 的有效刚度问题，给出了加筋板在外载荷作用下面板先发生局部屈曲，或局部屈 曲载荷与整体屈曲载荷相近时承载能力的近似计算方法，指出了提高加筋板壳承 载能力的主要途径。王永军、崔维成利用e p m 法的基本思想推导了船体平板和加 筋板格在联合载荷作用下的压缩极限强度计算公式，公式中考虑了残余应力和初 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 始挠度的影响。张连文、崔维成等运用卡大挠度理论和附连翼板有效宽度的概念， 采用铁木辛柯能量法做近似分析，提出了一套加筋板局部和整体屈曲分析的理论 计算方法。f m a t e u s 等利用非线性有限元分析方法研究了典型船舶与海洋工程 板架结构的屈曲与后屈曲行为，分析中重点考虑了腐蚀的影响。曾晓辉通过理论 推导与有限元分析相结合，对单层板架和双层板架和后屈曲问题进行了系统的研 究 7 卜 2 0 。 自升式平台结构静力强度分析方法的研究进展迅速，目前主要分为两大类： 一类是基于相关规范的传统分析方法，其特点是建立简化模型( 波浪描述的设计 波法、铰接基础模型以及二维梁结构模型等) 。另一类则是针对影响平台结构响 应分析的某一因素建立复杂的三维有限元结构模型、基础模型等进行强度分析。 例如对于自升式平台固桩架结构的精细有限元分析，自升式平台桩腿开孔后的局 部强度分析，以及针对桩一土之间非线性，非弹性性质的非线性有限元分析。这 些方法能给出特定环境载荷作用下更准确的计算结果，但计算量太大，且模型的 建立须忽略其他因素。可见，计算模型的复杂程度是影响平台结构静力计算精度 和效率的关键。 1 4 本文研究的内容 本文通过建立钻井工作状态自升式平台有限元模型，在极端工况下进行结构 静力分析，按规范对分析计算结果进行校核。总体来说，本文要完成的主要内容 有： 1 对钻井工作状态下自升式平台的环境载荷进行理论分析以及研究有限元 原理和a n s y s 软件中的所使用的单元特性。 2 建立静态分析时自升式平台整体和局部模型，以达到较完善地仿真有限元 模型来模拟平台的目的。重点考虑桩腿模型建立过程中，如何应用虚拟单元解决 桩腿水动力问题。研究悬臂梁与船体、船体与桩腿结构的连接方法从而保证各结 构的变形协调一致。 3 研究自升式平台载荷的加载方式，在极端工况条件，对模型进行结构静 力分析。 4 按照中国船级社海上移动平台入级与建造规范( 2 0 0 5 ) 的标准对有限 元模型计算结果进行强度校核。 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 第二章海洋工程结构物环境载荷分析 自升式平台处在复杂多变的海洋环境当中，受到风、浪、海流以及海冰的联 合载荷的作用。同时这些载荷对平台的强度、稳性的影响是很大的。处于升船作 业状态下的平台受到海上联合载荷的作用，而环境载荷并不是简单地将各种载荷 的最大值进行组合。这是因为意外载荷和极端载荷出现的概率很小，以这些载荷 校核作业工况下的平台，要求一定过高。本文研究的平台工作位置是渤海海域， 根据业主和实际情况的要求，在确定环境载荷时，只针对渤海海域的海况进行 分析，通过平台实际工作状况和平台建造入级规范进行取定。 2 1 风载荷 风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。具有一定速度的风受到结构物 阻挡时即对之产生作用力。作用于自升式平台的有水平风力和风力矩。 2 1 1 设计风速的确定 海上固定平台入级中规定设计风速选取标准是：平均海平面以上l o m 处， 重现期为5 0 年，时距为1 分钟的平均最大风速v ，和时距为1 0 分钟的平均最大风 速v 。v 。和v 。应根据长期实测资料分析确定。中国船级社规定，应根据平台的 作业地区和作业方式确定设计风速。一般地说，设计风速在自存状态应不小于 5 1 5 m s ( 1 0 0 k n ) ，在正常工作状态应不小于3 6 m s ( 7 0 k n ) ，在遮蔽海区不小于 2 6 m s ( 5 0 k n ) 。 风速在水面上不同高度处是不同的，统计分析表明风速的垂向分布基本按指 数规律变化： 叫巧o = ( z 1 0 户 ( 2 1 ) 式中，矿一距静水面高度z 处的风速；k 。一距静水面高度l o m 处的风速；z 一 距静水面的垂向高度；材一风速时距指数。 在各国的规范中对持续风速的垂向分布有不同的规定： 中国c c s ： 叫k o = c ( 2 2 ) 式中，c 。一高度系数。 天津大学硕士学位论文 第二章海洋工程结构物环境载荷分析 美国船级社a b s ： 叫k。-(zlo)v7(2-3) 法国船级社b v ： 叫k 。= 【2 5 x ( z + 6 6 ) ( z + 1 8 0 彤2 ( 2 - 4 ) 挪威船级社d n v ： 吖k。=lo)o胂(2-5) 各船级社的规定形式虽然各异，但实际差别并不大，相互之间的出入一般在 3 以内。 2 1 2 风载荷计算 作用在平台表面上的风载荷可按下式计算： f = c c h p o a ( 2 6 ) 式中：c 一风载荷形状系数；g 一海上风压高度变化系数；p 。一基本风压，n m 2 ： 么一受风面积，即垂直于风向的轮廓投影面积，m 2 。 基本风压p 。按下式计算 p o = a v i 2n m 2 ( 2 7 ) 式中， 4 一风压系数，口= 0 6 1 3n s 2 m 4 k 一时距为t 分钟的设计风速，m s 风速受海洋表面粗糙度影响，离海平面越近，风速越低。计算结构物不同高 度处的风压强时，需乘以风压高度变化系数c 。 风载荷形状系数c 。是风吹到结构物表面引起的实际风压与按结构物轮廓挡 风面积所算得的理论风压的比值。c 。主要与结构物的体型、尺度有关。 2 2 波浪载荷 2 2 1 波浪理论介绍 波浪载荷是船舶与海洋工程结构所受环境载荷中最重要的载荷。对于处于升 船钻井状态的自升式平台来说，波浪载荷主要作用在水面处及水下的桩腿上。确 定波浪载荷的方法主要有设计波法和设计谱法。 设计波法是以5 0 年一遇的规则波作为设计波，然后计算作用在平台上的作 业载荷和环境载荷以及在这些载荷作用下的构件应力，并根据规范的强度衡准校 核平台的结构安全性。由于不同的波浪方向，不同的波浪周期以及不同的波峰与 6 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 平台的相对位置，波浪对平台的作用力有很大的差异，因此在设计波计算法中， 除选定5 0 年一遇或1 0 0 年一遇的最大波高外，一般要选取若干个对平台结构有 不利影响的波浪周期和若干个波向角进行波浪载荷计算。 设计谱法则考虑了实际海面的随机性和不规则性。因为海浪并非是单一的完 全确定的规则波，它可以看作是由各个不同周期不同波高的成分波组成的。这些 波浪可以用能量谱来描述。按照概率论的谱分析方法，可以求得平台在不规则波 中的结构响应。这个方法是在线性叠加原理的假定下，把平台在不规则波中的响 应看作是有各个规则成分波所引起的响应的总和。 设计波法计算简单可以采用高阶波理论，能够计入海流的影响，波浪力的非 线性成分( 拖曳力) 较容易处理；缺点是没有反映平台在实际海面上受到的载荷 的随机特性。设计谱法的优点是能较好地描述平台在不规则波中的响应特性，因 而被逐渐推广到平台设计中，但它的缺点是波浪力的非线性问题很难直接考虑， 尤其是对恶劣海况时的波浪的非线性问题更为突出。 通过已有的资料，本文采用设计波法计算桩腿波浪力。 海洋工程中i 常用的波浪理论有：a i r y 波、s t o k e s 波、椭圆余弦波和孤立波。 不同的波浪理论具有不同的适用范围，在计算波浪载荷时，必须根据计算条件正 确选择波浪理论。 下面简要介绍一下各波浪理论的特点及适用范围。 任何波浪都可以由波高鼠波长( 或波周期乃和水深d 来确定。各种波 浪理论均通过l a p l a c e 方程及相应的边界条件，推导出流体的速度势。 l a p l a c e 方程为： 馨+ 垂：o 反2瑟2 ( 2 - 8 ) 边界条件为： ( 1 ) 在海底z 2 一d 处，垂直流速为零： 丝l ：0 宓i ：一 ( 2 - 9 ) ( 2 ) 处于自由表面上的水质点的垂直于该表面的速度，等于自由表面在该 方向的运动速度： 塑+ 型塑一型：0 ，( z ：，7 ) ( 2 1 0 ) 叙叙昆 一 “ ( 3 ) 波表面上的大气压力应为常数： 7 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 号手+ 丢 ( 罢) 2 + ( 尝) 2 + g r i = f o x c z = 刁， 波浪的周期性条件： ( 巧z ，f ) = 矽( z c t ，z ) c 为波浪的传播速度： ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 在满足上述条件的同时，波浪还要保证在传播过程中保持波浪形状不发生改 变。 在求解矽时的主要问题是发生在空气一水流交界面刁o ) 处所应用的边界条 件，而7 0 ) 通常有下列几种解法：在深水中采用a i r y 波浪理论，s t o k e s 3 阶或5 阶波理论；在浅水中采用一阶或二阶椭圆余弦波理论和孤立波理论以及数值解， 其中最常用的是流函数。 ( 1 ) a i r y 波理论 当波高h 同波长l 或水深d 相比很小，即h l 或h d ，公式( 2 9 ) 、 ( 2 - 1 0 ) 可以近似地在波浪平均位置z = 0 处满足。因此印为小量，乘积项及与 振幅有关的平方项也可以忽略。自由表面的边界条件可以线性化为： 掣一挈：o ，( z - o ) ( 2 1 4 ) 宓d t 譬+ g r ：o ，( z ：o ) ( 2 1 5 ) 由此可知，a i r y 波理论是一种线性波理论，可以进行波浪的线性叠加是该 理论最显著的特点。 由a i r y 波理论推导出的波浪的速度势矽为： 式中k 定义为波数。 ( 2 - 1 6 ) 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 k = 2 耳| l ( 2 - 1 7 ) ( 2 ) s t o k e s 有限振幅波理论 以a i r y 波为代表的线性波浪理论形式简单，使用方便，但是具有一定的局 限性。为了求出有限波幅条件下，方程( 2 - 8 ) 的非线性解，许多学者做了大量 研究。s t o k e s 有限振幅波理论在其中占有重要的地位。 在s t o k e s 有限振幅波理论中，对速度势矽及与相关的其它变量刁等均按某 一小参数s 摄动展开。同时将矽在自由表面z = 叩处用t a y l o r 级数展开，代入用 小摄动展开的矿、，7 等，可以产生一系列独立于占的偏微分方程组。 s t o k e s 高阶波速度势的边界条件中包含了低阶速度势的结果，因此求解高 一阶的速度势必须首先求得低阶速度势的结果。阶数越高，求解越繁。 s t o k e s 一阶波即为线性波。 目前常用的s t o k e s 五阶波的速度势痧为： = 譬窆n = l 蝶c ( ；s h 。砖) s i n g 9 ) ( 2 - 1 8 ) 式中，s = z + d ，。为己知复函数。 s t o k e s 波理论在推导速度势时除假定波幅不再是小量外，其余假设与线性 波一致。同时s t o k e s 波理论还考虑了波陡耽的影响，此时波面不再是简单的 余弦形式。 ( 3 ) 椭圆余弦波理论 由于s t o k e s 有限振幅波中没有考虑水深的影响，因此在浅水区域s t o k e s 波 浪理论的结果不能令人满意。椭圆余弦波采用j a c o b i 椭圆函数来表示波浪特性， 在浅水中可以得到很好的结果。 椭圆余弦波存在两个极端情况。当波数k - - ) 0 时，波面方程退化成线性微幅 波的波面方程。当波数k 一1 时，成为孤立波。 ( 4 ) 流函数理论 流函数理论建立的是流函数，而不是速度势函数。对于理想流体的二维运动， 存在下列形式的流函数： 9 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 d 沙d 沙 “= ow = 出 缸 ( 2 1 9 ) 式中，和旷分别是j 和z 方向的速度分量。通过选择一个随着波浪运动的坐标系， 以使问题转化为稳定流动。流函数少g ，z ，f ) 必须满足l a p l a c e 方程，即 堡+ 堡：o 教2瑟2 在自由表面满足条件： t ：挈，当z ：刁 0 去幢+ 嘭) + 蟹- q ，当z = ，7 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 式中口为b e r n 0 1 1 i 常数，圪= 与。流函数可假定为如下形式： qg d | f ，g ，z ) = 凹+ 矗s i n h n k ( z + d ) c o s ( n k x ) n = l ( 2 - 2 4 ) 流函数公式的优点在于可以通过近似，选取线性波的结果作为迭代初值，重 复进行迭代，直至进行到具有足够精度为止。 资料表明，就波峰处的水平速度和垂直加速度而言，孤立波理论的结果一般 偏大，只有在极浅水域，即d t 2 l 时，才与斯托克斯五阶波的 结果相接近。至于椭圆余弦波和斯托克斯五阶波的比较一般是椭圆余弦波的结果 大些。对于海洋平台的波浪力计算，从工程实用角度出发可以用d r 2 = 0 0 8 一o 1 作为分界线，大于此值者可选用斯托克斯五阶波，小于此值者可选用椭圆余弦波。 l o 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 2 2 2 波浪载荷计算 作用在平台结构上波浪诱导的载荷是由于波浪产生的压力场所致，一般波浪 诱导载荷可以分为三种：拖曳力、惯性力和绕射力。拖曳力是由于物体造成水流 的扰动引起的；惯性力又由两个分量组成，一是由于入射波压力场引起的作用力， 一是由于水的惯性引起的附加质量力；绕射力是由于考虑物体的作用，而使波浪 发生绕射时引起的作用力。上述波浪诱导载荷分量对于具体的结构对象来讲，并 不都是同等重要的，这取决于结构的形式和尺度，以及所选取的波浪工况。 对小构件结构物，其直径与波长之比小于或等于0 2 时，垂直于该构件轴线 方向单位长度上的波浪力厂，可采用莫里森( m o r i s o n ) 公式计算。m o r i s o n 公 式为： = 三c d 劂“l u + 尸三d 2 二m - ( 2 2 5 ) 式中： p 一流体密度； d 一柱体直径； c d 一柱体的拖曳力系数，c d = o 6 1 2 5 c 一柱体的惯性力系数，气= 1 3 2 o ； 甜一d z 段中点处流体瞬时速度的水平分量； “一d z 段中点处流体瞬时加速度的水平分量。 c r i 1 l 静，j 面一 屈 i i 。 k l d - - 4 , lq - - 伊 i 叠 7vf日 叫 审出 i r 图2 - i 作用于垂直圆柱的波浪力 对于桁架式桩腿，每个节距内都由若干弦杆、水平杆、斜撑杆组成。 由于桁架式桩腿的波浪力与波向角有关，因此在计算波浪力的过程中，要进 天津大学硕士学位论文第二章海洋工程结构物环境载荷分析 行波浪搜索，从而得出波浪力最大时的波向角波浪的入射方向选取的是9 0 0 。 2 3 海流载荷 海流是指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动。这种 潮流或风海流往往会改变波浪形态，影响作用在结构上的波浪力。 2 3 1 海流速度 海流流速随水深而变化，其变化规律应尽量通过现场实测资料确定。实测资 料不足时，可近似地取：潮流按相对水深的专次方变化，风海流按照相对水深直 线变化。这两种流随水深变化情况如图2 - 2 所示： 一7 。 7 7 力b 泵 ： 0 d 夕 7 ， 图2 2 潮流与风海流的流速分布 海流流速的计算公式为 ，1 ， 矿= k ( 争7 + 圪二； 州s ( 2 2 6 ) “ 式中 v _ 设计泥面以上工高度处的海流速度， m s ： v 水面的潮流速度，州s ； v ，一风在水面引起的海流速度，m s ； x 一设计泥面以上的垂直距离， 所 d 一水深， 朋 设计海流流速应采用平台使用期间可能出现的最大流速，其值可根据现场实 测资料整理分析后确定。 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章海洋工程结构物环境载荷分析 2 3 2 海流载荷计算 当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度的海流载荷可按莫里森公式的拖曳 力分量计算，即： b = c o p a tn | m 式中： c d 海流拖曳力系数，与波浪力的c d 相同； p 一海洋密度，k g m 2 ； 材一设计海流流速，l 咒s ； 彳一单位长度构件垂直于海流方向的投影面积， m 2 ( 2 - 2 7 ) 天津大学硕士学位论文第三章海洋工程结构物有限元分析方法 第三章海洋工程结构物有限元分析方法 3 1 有限元理论 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问 题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域 组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总 的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是 近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准 确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效 的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早 在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆 来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称 为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有 效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计 算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几 乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析 方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限 于相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉 夫( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ “分片函 数”，即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往是 困难的) 满足整个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法，有限元法将 函数定义在简单几何形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分 片函数) ，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方 法的原因之一。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几 何区域。 1 4 天津大学硕士学位论文第三章海洋工程结构物有限元分析方法 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相 连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网 络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增 大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包 含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方 程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式， 其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态 变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。为保证 问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是 应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不 仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ， 反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条 件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在 结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立 方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的 近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确 定是否需要重复计算。 本论文运用有限元分析软件a n s y s ，其分析过程可以分为三个步骤：前处理、 处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集 处理分析结果。 3 2a n s y s 有限元单元特性 3 2 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场 的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 天津大学硕士学位论文第三章海洋工程结构物有限元分析方法 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来， 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类 型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 a n s y ss t r u c t u r e 是a n s y s 产品家族中的结构分析模块，她秉承了a n s y s 家 族产品的整体优势，更专注于结构分析技术的深入开发。除了提供常规结构分析 功能外，