《海洋石油平台设计》课程设计.docVIP

海洋石油平台设计课程设计院系名称： 石油工程学院 专业名称： 海洋油气工程 学生姓名： 学 号： 2012010440 指导教师： 完成日期： 2015 年 6 月 17 日目录第一章 综述21.1 海洋平台概述21.1.1 海洋平台简介21.1.2 海洋平台分类21.1.3我国海洋平台发展状况111.2 海洋环境荷载121.2.1 海洋环境荷载简介121.2.2 风荷载131.2.3 波浪荷载141.2.4海流荷载151.2.5冰荷载161.3 ansys介绍171.3.1 软件简介171.3.2 软件功能介绍17第二章 导管架平台整体结构分析182.1平台整体模型建立192.1.1工程实例基本数据192.1.2 导管架平台结构特点202.1.3 平台几何模型的建立212.1.4 平台有限元模型划分342.2 波流耦合作用下导管架平台整体结构静力分析392.2.1 结构整体静力分析392.2.2 静力结果分析452.3 导管架平台整体结构模态分析502.3.1 结构模态计算502.3.2 观察模态分析结果552.4 波浪作用下平台结构瞬态动力分析592.4.1 瞬态动力分析592.4.2 动力分析结果处理662.5 本章小结80第三章 单筒三井简易平台桩腿结构力学分析803.1 单筒三井结构概述803.2 工程实例：单筒三井结构平台桩腿动力分析823.2.1 模型建立843.2.2 静力分析求解1013.2.3 动力分析1143.3 本章小结131第四章 总结131参考文献131第一章 综述1.1 海洋平台概述1.1.1 海洋平台简介 海洋工程项目是一个庞大的科技系统工程，而主要针对海洋石油开采而言的海洋工程装备包括油气钻采平台、油气存储设施、海上工程船舶(海洋地质勘探船、供应船、拖船、起重船、打捞救助船、海底电缆铺设船、铺管船) 等。这其中的海洋平台是集油田勘探、油气处理、发电、供热、原油产品储存和外输、人员居住于一体的综合性海洋工程装备，是实施海底油气勘探和开采的工作基地。海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是与陆地采油设备相比，它所处的海洋环境十分复杂和恶劣，台风、海浪、海流、海冰和潮汐还有海底地震对平台的安全构成严重威胁。与此同时，由于环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、构件材料老化、缺陷损伤扩大以及疲劳损伤累积等因素都将导致平台结构构件和整体抗力逐渐衰减，影响平台结构的服役安全性和耐性。因此，海洋平台的设计与制造只有在一个国家的综合工业水平整体提高与进步的基础上才能完成。1.1.2 海洋平台分类 （1）按运动方式可分为固定式与移动式两大类，如图1所示：（2）按使用功能的不同可分为钻井平台、生产平台、生活平台、储油平台、近海平台等。一、桩基式导管架平台导管架平台是由打入海底的桩柱来支承整个平台，能经受风、浪、流等外力作用。由上部结构（即平台甲板）和基础结构（包括导管架、桩）组成。平台甲板的尺寸由使用工艺确定；桩数、桩长、桩径由海底地质条件及设计荷载决定；导管架立柱的直径取决于桩径；导管架立柱水平支撑的层数取决于立柱长细比的要求。2、 固定重力式平台 重力式平台是依靠自身重量维持稳定的固定式平台，由上部结构、立柱和基础结构三部分组成。 基础分为整体式和分离式两种：（1）整体式基础一般是由若干圆筒形的舱室组成的大沉垫。（2）分离式基础用若干个分离的舱室做基础，它对地基适应性好，受力状况好。三、顺应式平台 与固定平台相似，均具有支撑水面设施的导管架钢制结构；但会随水流或风荷载移动。 水上设施包括钻井、生产及生活楼模块；支撑结构包括下部与上部两部分；下部导管架借助重量，通过26个插入泥面以下数百英尺的桩固定于海底。应用水深可达9001000m,最佳工作水深在200650m；整体式基础多建造在密实的砂土上；分离式基础的面积取决于地质条件；立柱的间距随水深而变，对地基和水深的适应性强，可用于地质条件较差的场合。四、自升式钻井平台 组成：一个上层平台和数个能够升降的桩腿； 工作过程：移航时桩腿升起，至井位后，船体升高作业，桩腿下降插入海底； 适用水深与海底条件：大陆架200m以内水深，硬土区、珊瑚区、不平整海底； 桩腿长度是自升式钻井平台的关键参数； 桩腿结构形式有柱体式和桁架式两类； 常用的桩腿数量为3根或4根。5、 半潜式钻井平台 半潜式平台是大部分浮体在水面以下的小水线面的移动式平台，由坐底式平台演变而来。由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。 平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性；下体间的连接支撑一般都设在下体上方，当平台移位时，可使连接支撑位于水线之上，以减小阻力；平台本体高出水面一定高度，以避免波浪的冲击；下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。6、 钻井船 1. 在钻井装置中机动性最好 2. 钻井性能却比较差 3. 工作：钻井船与半潜式钻井平台一样，钻井时浮在水面。井架一般都设在船的中部，以减小船体摇荡对钻井工作的影响 4. 适用范围：适于深水作业，但需要适当的动力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区7、 张力腿式平台(tlp) tlp是一种垂直系泊的顺应式平台。它一般由平台上体、立柱（含横撑和斜撑）、下体（沉箱）、张力腿系泊系统和锚固基础五大部分组成。 从结构特点看，tlp就像一个倒置的钟摆，是一个刚性系统和弹性系统两者综合的复杂非线性动力系统。 八、spar平台 spar平台由转盘、浮筒、悬链式锚链组成 浮筒具有贮油能力与生产设备； 浮筒下一段备有贮油容器； 浮筒上面一段设有转盘，居住舱及工作设备 适用水深：6003000m 垂荡运动比半潜式平台小 具有良好的动力稳定性 有较大的储油能力经济性好1.1.3我国海洋平台发展状况从1970年至今,国内共建造移动式钻采平台58座,已退役7座,在用51座,在建7座。我国已具备自升式平台、座底式平台的设计、建造能力,并且有国内外多个平台、船体的建造经验,现已成为浮式生产储油装置(fpso)的设计、制造和应用大国。我国fpso的数量与研制技术走在世界前列,但其他海洋石油工程装置还是落后于世界先进水平20多年。目前,我国海洋油气资源的开发仍主要集中在300m水深以内的近海海域。随着海洋石油981、海洋石油982兴旺号的下水服役，深海油气开发已成为海洋石油工业的重要部分。虽然我国在深海油气开发方面距世界先进水平还存在较大差距,但我国的深水油气开发技术已经迈出了可喜的一步,为今后走向深海奠定了基础。近几年,虽然我国海洋石油钻井装备产业取得了骄人业绩,但同发达国家近百年发展历史相比,仍存在较大差距。尽管我国在一些比较先进的油气工程装备方面己实现国产化,但国内厂商还基本停留在结构件的制造上,相关配套技术滞后,关键设备和技术仍然掌握在国外厂商手里,严重制约着海洋油气的规模开发。我国海洋石油钻井平台的国产化率仅在30%左右,自配套产品范围较窄,性能和质量同国外有较大差距,关键设备几乎全部依赖进口,进口所用费用几乎占到设备建造费用的1/2以上。1.2 海洋环境荷载1.2.1 海洋环境荷载简介各种海洋自然现象既复杂又相互关联，影响海洋工程结构物的海洋环境因素也是复杂与多方面的。在海洋工程结构设计中常见的环境荷载有如下几种：波浪荷载、海流荷载，由海浪、海流的运动所引起的；潮汐，是影响海洋工程结构物受力和水位高程变化的重要因素；有些处于风暴潮、海啸易发海域的近海工程结构物还需考虑风暴潮与海啸的极端海况影响，它们与海水的温度、盐度、密度等构成海洋水文环境要素。来自大气层的风给海洋工程结构物带来风荷载，它与气压、气温、降水等构成海洋上空气象条件，通过海其界面作用于海洋。通过海底界面的海岸及海底地形、地貌及其地质结构、土壤特性等为海洋工程结构提供地理地质条件，不稳定的海床将影响海洋平台的安全性，在海洋平台设计过程中需要开展必要的地质地理调查。还有海洋生物附着、海洋化学腐蚀及全球变暖带来的海平面变化，在高纬度海区还需考虑海冰的作用，在地震多发地带还需要考虑地震的影响等，都是海洋工程结构设计中要考虑的环境要素，这些环境因素无时无刻不在影响着海洋工程结构物的安全生产与营运，它们的分布变化规律及运动特性是研究与开发利用海洋的基本问题，也是做好对海洋灾害防灾减灾的基础。1.2.2 风荷载风是大气显示能量的一种方式，风速越大，其作用越强。对海洋中的工程结构物来说，风的作用会使它发生横摇与纵倾，过大的风倾力矩将会使它失去稳性而翻沉。有些细长结构如桅杆等在强风风力的直接作用下会发生较大变形和大幅度振动，甚至失稳断裂而遭到破坏。风荷载是海洋工程结构物的重要设计控制荷载，对结构物进行抗风设计是结构安全的重要保证。1、 基本风压及风荷载计算2、 拖曳力是迎风面受到的风阻力，其计算公式是：3、 横向力是由于柱体后部的空气绕流产生分离，从而产生与空气流动方向垂直的横向力，计算公式为:4、 海面风速计算：1.2.3 波浪荷载海洋中存在着各种形式的波动，它既可发生在海洋表面，又可发生在海洋内部不同密度层之间，有着不同的波动尺度、机理和特性，各种波动现象复杂。海洋波动是海水运动的主要形式之一。海洋表面总被形容为时而波涛汹涌，时而涟漪激荡，呈现出一种复杂的波动现象。引起海水表面波动的自然因素有很多，如海洋表面受到风与气压的作用、天体的引潮力及海底地震与火山的作用等，它们引起的波动现象有不同的尺度，造成各种波动的周期、波高、波长 等波动特性的不同，各自具有不同的能量范围，对海洋工程结构的作用影响也不同。如图所示：不同的波浪理论在推导中采用了不同的假定条件和近似处理，使它们在分析波浪运动时都有各自不同的适用范围。一般而言，在深水中影响波动性质的主要因素是波陡h/ 1.2.4海流荷载海洋中的海水沿一定路径的大规模流动形成海流，海流载荷分为潮汐、海流载荷。海流荷载具有相对稳定的流向、路径和速度，通常由海洋内部的热盐效应以及海面上的气象因素引起。海流的运动是季节性的、周期性的，其规律比较易于掌握。海流对平台稳定性主要的影响在于其运动作用力。另外在盐度方面，海流对海水盐度的改变对平台防腐也将造成一定的影响，但一般不予考虑。海流运动作用力的计算方法为通过压强梯度力进行计算。通过对不同深度海洋压力变化的数理计算，得出等价的作用力大小。计算过程为积分过程。另外，海流荷载大小受截面形状影响较大，圆柱形截面所受海流荷载最小。1.2.5冰荷载海冰主要存在于地球高纬度地区，由于极端严寒天气导致海水冻结。在北冰洋及南极地区，海冰经年不化；而在其他高纬度海域，则存在季节性海冰。海冰究其类型可分为多种，以结冰状态及阶段分为初生冰、尼罗冰、饼状冰、初期冰、一年冰和老年冰；按外表可分为平整冰、重叠冰、堆积冰、冰丘和冰山；按运动方式分为固定冰和流冰。海洋平台受到的海冰作用多来自流冰，流冰在海流和海浪的作用下对平台造成水平挤压力；且在海冰与平台接触而断裂之后，还会对平台产生弯曲作用。中国船级社给出的海冰水平挤压力计算公式为：fh=mkik22bh其中对圆截面积m=0.9，k1=（1+h/b）-1,k2多取为0.3，h取为实测数据。弯曲作用的冰力大小由锥角决定。1.3 ansys介绍1.3.1 软件简介 ansys软件是美国ansys公司研制的大型通用有限元分析（fea）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（cae）软件，能与多数计算机辅助设计（cad，computer aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如creo, nastran, alogor, ideas, autocad等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ansys功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的fea评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ansys软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。1.3.2 软件功能介绍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；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100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如pc，sgi，hp，sun，dec，ibm，cray等。第二章 导管架平台整体结构分析 本章以海洋石油导管架平台为对象，采用 gui菜单操作和命令流相结合的方式，详细介绍了ansys建立海洋平台有限元模型的全过程，针对海洋平台的各种环境载荷，采用相应的 ansys分析类型分别进行计算。 本章包括如下的一些问题：l 平台结构模型的建立l 海洋平台整体结构的静力分析l 海洋平台的模态分析l 波浪载荷作用下海洋平台的瞬态动力分析2.1平台整体模型建立2.1.1工程实例基本数据（1）环境条件 水深：45m 风速：43.6m/s 有效波高：14.8m 有效波周期：10.8s 海面流速：2.35m/s，中部流速：1.96m/s， 底部流速：1.60m/s。 海冰：厚度：32cm，抗压强度 1990kpa。（2）平台结构几何参数平台结构几何参数见表 2.1。序号名称直径壁厚1泥面上导管架主导管1.20.052泥面下导管架主导管1.20.053甲板部分主导管0.780.03814导管架层间横支撑0.780.03815导管架斜撑杆0.5080.02546甲板部分梁结构截面面积截面长截面宽0.160.40.47甲板厚度长*宽0.02530*20 表 2.1平台几何参数 单位：m2.1.2 导管架平台结构特点本节主要是建立如图2-2 所示的四腿导管架平台。（1）总体特点 导管架平台属于固定式平台，由上层平台结构和下部导管架结构组成，导管架底端通过桩基础固定。上层平台结构支撑框架和甲板，主要提供生产和生活的场地，其外形为矩形，尺寸为：30m*20m ，水面至顶层甲板高度为 15m。 下部导管架由一系列钢管焊接而成，主体是 4 根主导管，其间用细管件作为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底泥土。（2）单元类型选择和参数设定整个导管架平台模型采用四种单元类型：pipe20、pipe59、beam4 及 shell43。下部导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采用 pipe59 单元，泥线以下采用 pipe20 单元，甲板平面的框架梁采用 beam4 单元，水平甲板采用 shell43 单元。 1）pipe20 单元截面由外径和壁厚确定； 2）pipe59 单元截面由外径、壁厚、法向曳力系数、法向惯性系数、内部液体密度、外部附着物密度、外部附着物厚度确定； 3）beam4 单元截面形式选用矩形，单元参数包括截面的高度、宽度、面积和截面惯性矩； 4）shell43 单元参数包括四节点处的厚度。 整个模型采用同一种钢材，弹性模量为 2.0e11pa，泊松比为 0.3，密度为 7850kg/m3 ,材质为d36，屈服强度为 360mpa。（3）建模步骤 结构的建模步骤主要分为几何模型的建立和划分网格建立有限元模型。 1）建立几何模型，按照平台各节点的具体坐标建立关键点，连接关键点生成线，从而建立平台结构的基本框架，创建甲板平面，完成几何模型的建立。 2）建立有限元模型，对几何模型进行网格划分，形成计算分析的有限元模型。2.1.3 平台几何模型的建立（1）设置工作环境 进入 ansys/multiphysics 的程序界面后，通过常用菜单路径【utility menu】【file】【changejobname】,指定分析的工作名称为“platform”，将“new log and error files？”选项设置为【yes】， 点击【ok】按钮。 通过菜单项【utility menu】【file】【change title】,指定图形显示区域的标题为“analysis of platform”。在命令流窗口输入“/unit,si”，定义国际单位制。（2）定义单元类型 单击菜单路径【main menu】【peprocessor】【element type】【add/edit/delete】定义 4种单元类型，选取 ： pipe20 为 1 号单元； pipe59 为 2 号单元； beam4 为 3 号单元； shell43 为 4 号单元。（3）定义单元实常数 单击菜单路径【main menu】【preprocessor】【real constants】【add/edit/delete】，定义 6 组实常数，其中实常数1针对pipe20 单元，实常数 24 针对 pipe59 单元，实常数 5 针对beam4 单元，实常数 6 针对 shell63 单元。（4）定义材料参数选择菜单项【main menu】【preprocessor】【material props】【material models】，在 出现的 “define material model behavior” 对话 框 的 右 侧 ， 依 次 选 择 菜 单 路 径 项 【 structural 】【nonlinear】【inelastic】【rate independent】【isotropic mardening plasticity】【mises plasticity】【bilinear】，弹 出 “note”对话框，点击【确定】按钮。设置材料的线性阶段的弹性模量及泊松比，在出现的对话框【ex】项后的文本框中输入“2.1e11”，在【prxy】项后的文本框中输入“0.3”。 单击【ok】按钮，弹出如图所示的材料屈服强度设置窗口，在【yield stss】项后的文本框中输入“360e6”，在【 tang mod】项后的文本框中输入“0”，表示采用的材料为理想弹塑性模型 。 再次单击【structural】【density】，弹出 密 度设 置 窗 口 ，在【 dens】选项后的文本框中输入“7850”，单击【ok】。 单击【fluids】【water table】设置环境载荷参数.（5）几何模型建立 建立海洋平台的几何模型主要分为三个步骤，即创建关键点、连线构成结构框架和生成甲板平面。下面将按照上述三个步骤介绍海洋平台几何模型的创建过程。1）创建关键点 通过菜单路径【main menu】【preprocessor】【modeling】【create】【keypoint】【in active cs】创建关键点。 建立关键点之后的模型如图所示：2）通过关键点创建线构成结构框架 连接关键点生成平台结构的杆系框架，通过菜单路径【main menu】【preprocessor】【modeling】【create】【lines】【straight line】由关键点创建线。 通过关键点创立线框架之后的模型如图所示：3）生成甲板平面 每层甲板平面由 9 个矩形平面组成，矩形位置和尺寸由甲板关键点坐标确定。通过菜单路径【main menu】【preprocessor】【modeling】【create】【area】【arbitrary】【through kps】。由关键点生成面。 生成甲板平面之后的模型如图所示： 到此为止，海洋平台的几何模型创建完毕，在 ansys toolbar 上单击【save_db】按钮，保存模型到数据文件。2.1.4 平台有限元模型划分 在第 2 步的单元类型定义中，定义了 pipe20、pipe59、beam4、shell43 四种单元类型，分别用来划分导管架、甲板平面梁框架和甲板，下面按照这四种单元的顺序对结构模型进行划分网格生成有限元模型。1）导管架网格划分 pipe20 和 pipe59 都是用来划分导管架结构，pipe20 选用 1 号材料属性，单元截面由外径和壁厚确定；pipe59 采用 2 号材料属性，由外径、壁厚及一系列流体参数确定单元属性。不同规格的杆件需要结合相应的实常数，所有被划分线段的网格划分数 ndiv 为 1。通过菜单路径【mainmenu】【preprocessor】【meshing】【meshtool】。2）甲板平面梁网格划分beam4 单元用来划分甲板梁。所有 beam4 单元采用 1 号材料属性，5 号实常数，线段网格划分段数为 3。通过菜单路径【main menu】【preprocessor】【meshing】【meshtool】。3）甲板平面网格划分shell63 单元用来划分甲板平面。所有 shell43 单元采用 1 号材料属性，6 号实常数。通过菜单路径【main menu】【preprocessor】【meshing】【meshtool】。 至此，海洋平台结构的有限元模型建立完毕。 为了便于观察，选取菜单路径【utility menu】【plotctrls】【style】【size and shape】，弹出“size and shape”对话框，打开“display of element shapes on real constant descriptions”选项，模型将以实际形状显示。如图所示。在 ansys toolbar 上单击【save_db】，保存模型到数据文件。2.2 波流耦合作用下导管架平台整体结构静力分析 本节将在上一节建立的平台有限元模型基础上对平台进行静动力计算分析，所进行的是非线性求解，并将计算所得相应数据进行校核。模型的静力分析是利用前述相关章节所给出的荷载理论，考虑平台在风浪流作用下的结构静力分析。2.2.1 结构整体静力分析（1）设置分析类型 选择菜单路径【main menu】【solution】【analysis type】【new analysis】，选 择 “static”，点击【ok】按钮退出。（2）定义位移边界条件 选择菜单路径【 main menu】【solution】【define loads】【apply】【structural】【displacement】【on nodes】，弹出节点拾取对话框，在图形显示区域用鼠标将导管架底端四节点全部选上，单击【ok】按钮。 弹出位移属性设置对话框，选中【all dofs】，单击【 ok】按钮退出。（3）施加载荷1）施加波流载荷：按波流同方向作用于结构物，波浪相位角为 46。2）定义重力场： 单击菜单【main menu】【solution】【define loads】【apply】【structural】【inertia】【gravity】【global】，弹 出 “apply (gravitational) acceleration”属性值设置对话框，在“acelx，acely，acelz”中依次输入“0，0，9.8”。（4）静力分析求解 通过菜单项【main menu】【solution】【solve】【current ls】，对问题进行求解。在求解过程中会看到如图所示的求解收敛曲线。在求解结束后，弹出 solution is done！信息提示框，关闭。单击【main menu】【finish】菜单项，退出求解计算模块。2.2.2 静力结果分析1）读入结果文件选择菜单路径【main menu】【general postproc】【read results】，单击【 last set】，读入最后一个子步的结果文件。2）绘制结构整体变形图 选择菜单路径【main menu】【general postproc】【plot results】【deformed shape】，在弹出的对话框中选择【def shape only】，显示结构整体变形图3）绘制结构节点位移等值线云图 选择菜单路径【main menu】【general postproc】【plot results】【contour plot】【nodalsolu】， 弹 出 “contour nodal solution data”对话框，依次单击【nodal solution】【dof solution】【displacement vector sum】，单 击【ok】按钮，显示如图 9-10 所示的结构节点位移等值线云图 。从图中可以看出，结构发生最大位移的位置位于平台顶部，数值为 0.0398m。4）绘制单元应力等值线云图 选择菜单路径【main menu】【general postproc】【plot results】【contour plot】【elementsolu】，弹出 “contour element solution data”对话框，依次单击【element solution】【stress】【von mises stress】，单击【 ok】按钮，如图 9-11 所示显示结构的米塞斯等效应力云图。由图可知，结构的最大应力为 117mpa，发生在桩腿底部位置。2.3 导管架平台整体结构模态分析 模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，主要是求解结构的自然频率、振型以及振型参与系数等，它是所有动力学分析类型的最基础的内容，其分析结果可以作为瞬态动力分析、谐响应分析和谱分析等其他动力分析的基础。因此本节将对所建立的导管架平台进行模态分析。2.3.1 结构模态计算（1）设定模态分析类型 重新进入 ansys 求解器，选择菜单路径【main menu】【solution】【analysis type】【new analysis】，设置分析类型为【modal】。（2）设置分析选项 选择菜单路径【main menu】【solution】【analysis type】【analysis option】，弹 出 “modalanalysis”对话框，模态提取方法采用【block lanzcos】，提取模态数设为 “6”。（3）扩展模态设置 选择菜单路径【main menu】【solution】【load step opts】【expansionpass】【single expand】【expand modes】， 弹 出 “expand nodes”对话框，模态扩展数设为“6”。（4）定义位移边界条件 选择菜单路径【 main menu】【solution】【define loads】【apply】【structural】【displacement】【on nodes】，弹出节点拾取对话框，在图形显示区域用鼠标将导管架底端四节点全部选上，单击【ok】按钮。 弹出位移属性设置对话框，选中【all dofs】，单击【 ok】按钮退出。（5）模态分析求解 选择菜单路径【main menu】【solution】【solve】【current ls】，弹 出 “solve current load step”对话框，单击【ok】，开始计算模态解。求解完毕后，在“note”窗口显示“solution is done！”，单击【close】关闭窗口。2.3.2 观察模态分析结果1）观察模型固有频率 进入通用后处理器 post1，选择菜单路径【main menu】【general postproc】【resultssummary】，观察模型的固有频率，结果如图所示。2）读入结果文件 选择菜单路径【main menu】【general postproc】【read results】【first set】，读入第 1载荷子步的计算结果。3）观察模态振型 选择菜单路径【main menu】【general postproc】【plot results】【deforme shape】， 显示一阶模态振型，如图所示。 重复上述步骤，二到六阶模态振型，如图所示：2.4 波浪作用下平台结构瞬态动力分析 瞬态动力学分析又称时间历程分析，用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的动力学响应，目的是得到结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷随意组合作用下随时间变化的位移、应变、应力和力。 波浪力是一种所时间变化的载荷，对导管架平台的动力响应问题不可忽视。本节将进行波浪载荷作用下导管架平台的整体瞬态动力分析。2.4.1 瞬态动力分析 进行瞬态动力分析所采用的结构有限元模型与模态分析时完全相同。由模态分析所得到的阻尼系数进行瞬态动力分析，时程分析取作用时间为 100s，时间间隔 0.2s。根据模态分析所得到前两阶固有频率可计算得到瑞利阻尼系数为： a = 0.1575 ，b = 2.5389e-03。（1）波流参数修改 由于是分析波载载荷所引起的水动力效应，因此将波浪的相位角设置为 0 度，选择【mainmenu】【preprocessor】【material props】【material models】，在弹出的 “define material modelbehavior”对话框中，选择【water table】选项，单击打开，将原来静力分析所输入的波浪相位角46 度改为 0 度，单击【ok】按钮退出。（2）求解选项设置1）设置求解类型选择菜单路径【main menu】【solution】【analysis type】【new analysis】，弹 出 “type ofanalysis”对话框，选中分析类型为【trasient】，分析方法选择【 full】，单击【 ok】按钮退出。2）求解控制项设置选择菜单路径【main menu】【solution】【analysis type】【soln controls】，弹 出 “solutioncontrols”对话框，在【basic】选项下的【analysis options】选中“large displacement transient”。 然后选中【trasient】，在【 damping coefficients】选项下的【alpha】后输入“0.1575”，在【 beta】后输入“2.5389e-03”，其他选项默认，单击【ok】按钮退出，如图 7-11 所示。 （3）定义位移边界条件 选择菜单路径【 main menu】【solution】【define loads】【apply】【structural】【displacement】【on nodes】，弹出节点拾取对话框，在图形显示区域用鼠标将导管架底端四节点全部选上，单击【ok】按钮，弹出位移属性设置对话框，选中【all dofs】，单击【 ok】按钮退出。（4）施加重力载荷 单击菜单【main menu】【solution】【define loads】【apply】【structural】【inertia】【gravity】【global】，弹 出 “apply (gravitational) acceleration”属性值设置对话框，在“acelx，acely，acelz”中依次输入“0，0，9.8”。（5）求解设置时程分析结束时间为 100s，时间间隔为 0.2s。本部分利用命令流形式输入，如下：*do,i,10e-12,100,0.2 !设定结束时间及子步时间开始循环计算time,i !循环计算结束时间outpes,all,all !输出结果设置solve,save !执行求解并保存*enddo !结束循环求解计算2.4.2 动力分析结果处理1）进入时间历程后处理器 post26 选择菜单路径【main menu】【timehist postpro】，进入时间历程后处理器。2）定义时间历程后处理变量 2 选择【main menu】【timehist postpro】【define variables】，在弹 出 的 “define time-historyvariables”对话框中，单击【add】按钮，出现 “add time-history variables”对话框，选中【 nodal dofresult】，单击【 ok】按钮。 出现的“define nodal data”对象拾取框中，选中【list of items】， 在文本框中输入“1173”，即平台顶端甲板中心，然后单击【ok】按钮。 出现“define nodal data”对话框，在【name】一栏中输入“ux”，在【item，comp】选项后的列表中选择【dof solution】【translation ux】，其他选项默认，单击【ok】退出。3）绘制时程位移曲线 选择菜单路径【main menu】【timehist postproc】【settings】【graph】，定义横向（x）坐标为时间，在“graph settings”对话框中的【 xvar】(x-axis variables)选项后选中【single variable】，在【single variable no.】文本框中输入“1”，单击【ok】按钮退出该对话框。 选择菜单路径【utility menu】【plotpctrls】【style】【graphs】【modify axes】，在弹出的对话框中输入图形显示的横、纵坐标的标题，分别为“time”和“ux”，单击【 ok】按钮退出 。 选择菜单路径【main menu】【timehist postproc】【graph variables】，弹出对话框中，“nvar1”文本框中输入“2”，单击【ok】按钮，则可绘制时间位移曲线，如图 9-19 所示。4）绘制结构主导管腿处反力时程曲线 选择【main menu】【timehist postpro】【define variables】，在弹 出 的 “define time-history variables”对话框中，单击【add】按钮，出现“add time-history variables”对话框，选中【reactionforce】，单击【 ok】按钮，弹出对象拾取框中，选中【list of items】，在文本框中输入 “125”，即主导管处节点编号，然后单击【ok】按钮。 选择菜单路径【utility menu】【plotpctrls】【style】【graphs】【modify axes】， 在 弹出的对话框中输入图形显示的横、纵坐标的标题，分别为“time”和“reforce”，单击【ok】按钮退出。 选择菜单路径【main menu】【timehist postproc】【graph variables】，弹出对话框中，“nvar1”文本框中输入“3”，单击【ok】按钮，则可绘制时间反力曲线，如图 9-20 所示。5）绘制结构弱点处的应力时程曲线 选择【main menu】【timehist postpro】【define variables】，在弹 出 的 “define time-history variables”对 话 框中 ，单击【 add】按 钮 ，出 现 “add time-history variables”对 话 框 ，选 中【 by set no. 】，单击【ok】按钮。 弹出对象拾取框中，选中【list of items】，在文本框中输入“125”，即连接点处节点编号，然后单击【ok】按钮。 出现“define element results by seq no.”对话框，在【name】一栏中输入“stress”，在【item】选项后的列表中选择【smisc】，在【 comp sequence number】一栏中输入“15”，其他选项默认，单击【ok】退出。 选择菜单路径【utility menu】【plotpctrls】【style】【graphs】【modify axes】， 在弹出的对话框中输入图形显示的横、纵坐标的标题，分别为“time”和“stress”，单击【ok】按钮退出。 选择菜单路径【main menu】【timehist postproc】【graph variables】，弹出对话框中，“nvar1”文本框中输入“4”，单击【ok】按钮，则可绘制时间应力曲线，如图 9-21 所示。2.5 本章小结 本章主要介绍了海洋导管架平台的基本结构分析知识，主要包括平台的模型建立，结构整体静力分析，以及模态分析方法和平台在波浪载荷作用下的动力分析方法。第三章 单筒三井简易平台桩腿结构力学分析 单筒三井结构简易导管架平台由于其结构简单，施工方便，成本低等优点，可以较广泛的应用于海上边际油田的开采。本章将对这种结构的桩腿进行整体的结构分析，包括静力及动力分析。 本章包括如下的一些问题：单筒三井结构概述工程实例：单筒三井结构抗冰极限承载力弹塑性分析3.1 单筒三井结构概述 单筒三井技术是一项先进的钻井技术，适用于海洋边际油田及调整井的开发作业，具有很好的适用性，它解决了平台槽口不足而无法完全充分开发储层的问题，并且在一定程度上节省了油田的开发资金，减少海上平台尺寸及平台的数量，节约了工程造价，对油田进行更充分的开发利用，在很大程度上节省油田开发费用。 目前应用的单筒多井有单筒双井及单筒三井，单筒双井技术相对使用较多，国内中国海洋石油渤海 qk17-2 油田及南海 wc13-2 油田均使用过单筒双井技术；而单筒三井技术的应用相对较少，目前只在涠洲 6-1 油田成功应用单筒三井技术 ,填补了国内钻井领域空白。 顾名思义，单筒三井结构指的是在一个大尺寸外筒内部按照一定的空间位置布置三个井眼。如果采用对称性布置原理，其内外筒几何关系如图3-1 所示：图 3-1 对称性单筒三井布置 对于简易导管架平台而言，如果使用单筒三井结构，三根隔水导管全部布置在单腿内部，可以达到施工简单，节约经济的目的。这种结构下，内部隔水导管不仅可以作为钻井的循环通道，也可以作为平台的轴向支撑，具有一定的优越性。其受力状况见图3-2 所示。图 3-2 单筒三井结构简易导管架平台 从图 3-2 可以看出，单筒三井结构简易导管架平台所受到的载荷主要来自两部分，一部分是顶部平台甲板自动，另一部分来自海洋环境载荷。利用 ansys 进行结构分析时，其基本假定如下： （1）平台材料是线弹性的，单元节点力和节点位移之间保持线性关系； （2）各单元或结构变形与整个结构尺寸相比很小，可以采用叠加原理； （3）泥线以下按 6 倍桩径处固支处理；