（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 自升式海洋平台是被使用最广泛的海洋石油勘探开发大型装备工具。保证其海上作 业的安全，是每个海洋工程从业者的共同目标。其中风浪等环境载荷作用下的结构安全 性是最基本的要求，这要求海工设计人员在其工作中要充分考虑环境载荷对主结构的影 响，反复对极端海况下的结构强度进行校核。而针对自升式平台主要受环境载荷作用的 桩腿和桩靴的结构特点，需要有一个专用的有限元建模及分析工具，以避免大量重复的 模型设计修改的操作，提高工作效率。 a n s y s 是著名的大型通用有限元分析软件，具有强大的求解器和前、后处理功能， 能为解决复杂、庞大的工程实际问题。但作为通用有限元软件，a n s y s 在具体的专业问 题解决上有所欠缺，对用户的力学、有限元知识以及工程经验有较高的要求。同时由于 自升式平台的复杂性和荷载形式的特殊性，在a n s y s 提供的二次开发环境中，开发适合 自升式平台环境载荷作用下的结构强度分析专门化系统成为a n s y s 在自升式平台设计 中应用的迫切需要。 本文在分析整理自升式平台结构有限元分析方法的基础上，应用v c + + 6 0 开发出自 升式平台波浪、风等环境载荷的计算模块，运用a p d l 开发出自升式平台桩腿和桩靴环 境载荷参数化加载模块，然后用a n s y s - 次开发接口集成这两个模块。完成的系统可以 根据用户输入的自升式平台桩腿桩靴的结构参数，及波高、水深和风速等环境参数实现 快速的有限元建模求解以及根据规范要求提取相应结果的后处理功能。对自升式平台设 计初期确定桩腿桩靴各构件详细结构尺寸提供了快速可靠的分析评价工具。最后用此系 统计算了某3 0 0 英尺作业水深的自舞式平台实例，通过与s e s a m 系统计算结果比较，表 明此系统计算可信，且建模求解集成，支持模型的参数修改。 关键词：自升式平台桩腿和桩靴；波浪载荷；线性波；a n s y s ；参数化 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 t h er e s e a r c ho fp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n d a n a l y s i sf o rj a c k - u p s l e ga n ds p u dt a n k a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ej a c ku pp l a t f o r mi sak i n do fe q u i p m e n tw h i c hi su s e di nm a r i n eo i l e x p l o i t a t i o nm o s tw i d e l y n ec o m m o nt a r g e to fe v e r yp r a c t i t i o n e ro fo c e a ne n g i n e e r i n gi s t h a te n s u r et h ej a c ku pp l a t f o r mw o r k i n gi ns a f e t y 髓es t m c t u r a ls a f e t yu n d e rt h ew a v ea n d o t h e re n v i r o n m e n t a il o a d si sb a s i cr e q u i r e m e n t n ed e s i g n e rn e e dc o n s i d e rt h ee f f e c tt o s t r u c t u r eo w m gt oe n v i r o n m e n t a ll o a d si nt h e i rw o r k ，s oa st oc h e c kt h es a f e t yi ne x t r e m e o c e a ns t a t e s a c c o r d i n gt ot h ec o m m o ns t r u c t u r eo fj a c ku p sl e gw h i c hi ss u f f e r e dt h ew a v e l o a d sm a i n l y w ec a ne x p l o i tas p e c i a ls y s t e mw h i c hc a ns o l v et h ej a c ku p ss t r u c t u r a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s i tc a l li m p r o v ee f f i c i e n c ya n da v o i dp l e n t yo f r e p e a t e do p e r a t i o n a n s y si so n eo ft h em o s tf a m o u sl a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n di ti n c l u d e s s t r o n gp r e p r o c e s s o r 。s o l v e ra n dp o s t p r o c e s s o rf u n c t i o n s a n s y sc 姐s o l v ec o m p l e xa n d c o m p l i c a t e de n g i n e e r i n gp r o b l e m s h o w e v e r , a sg e n e r a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y sd o n o tv e r yw e l li n s p e c i a l i z e df i e l d w h a t s m o r e j a c ku pp l a t f o r mh a sm a n ys p e c i f i c c h a r a c t e r i s t i c s s o ，d e v e l o p i n gas p e c i a l i z e dp r o g r a m ，w h i c hw i l lb ea p p l i e di nt h es t r u c t u r a l a n a l y s i so fj a c ku pp l a t f o r mi nt h es e c o n d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t sp r o v i d e db ya n s y s ， h a sb e c a m ea i m p e n d i n gn e e di no c e a ne n g i n e e r i n g o nt h eb a s i so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss u m m a r i z a t i o no fs t r u c t u r a la n a l y s i so fj a c k u pp l a t f o r m t h i sp a p e ru s e dv c + + 6 0t od e v e l o p t h ep r o g r a mm o d u l et h a tc a nc a l c u l a t et h e w a v ea n dw i n dl o a d s ，a n du s e da p d lt od e v e l o pt h ep r o g r a mm o d u l et h a tc a na c h i e v e p a r n m e t e r i z e da n a l y s i sa b o u te n v i r o n m e n t a ll o a d so nj a c ku p sl e ga n ds p u dt a n k a tl a s t ，t h e p r o g r a mw i l lc o n n e c tp a r a l l e lt h et w om o d u l e sd e p e n d i n go nt h ed e v e l o p m e n ti n t e r f a c eo f a n s y s t 1 l ew h o l ep r o g r a mc a na c h i e v es o l u t i o na n da n a l y s i sq u i c k l yb a s i n go nt h e p a r a m e t e r so fj a c ku p sl e ga n ds p u dt a n k ；t h ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r so fw a v eh e i g h t ， w a t e rd e p t ha n dw i n ds p e e d n ep o s t - p r o c e s s i n gf u n c t i o nc a no b t a i nt h er e l e v a n tr e s u l t s a c c o r d i n g t or u l e s t o t a l l y ，i ti saq u i c ka n dr e l i a b l et o o lt h a ts u p p l yc h e c k i n ga n da n a l y s i st o h e l pf i xe a c hc o m p o n e n t sd i m e n s i o no fj a c ku p sl e ga n ds p u dt a n ki nt h ed e s i g n i n gi n i t i a l s t a g e a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h ea u t h o rc o m p a r e st h er e s u l t sw h i c ho b t a i n e df r o mt h i s p r o g r a ma n ds e s a m i ns a m ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，s oa st op r o v et h i sp r o g r a mc o r r e c t a n dp r a c t i a l k e yw o r d s ：j a c k - u p sl e ga n ds p u dt a n k ；w a v el o a d s ；l i n e a rw a v e ；a n s y s p a r a m e t e r i z e d i i 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： 到盔 日期： 型i ：f 丕：纽 大连理工大学硕士研究生学位论文 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：型塾 导师签名：盔嗡 导师签名： z ：硅咝l jv 兰丝! 年j 三月j 笠日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文的背景 随着人类经济活动的迅猛发展，陆上资源和空间已难以满足或充分满足社会发展的 需求，2 1 世纪将是人类全面向海洋进军的时代，海洋的开发利用及海洋灾害防护的研究 将面临一个突飞猛进、空前繁荣的新时期。所有这些开发利用及防护都离不开海洋工程 设施和相关的技术装备，由于开发利用的内涵与目的的差异巨大，所采用的工程设施和 技术装备也千差万别。随着人类向海洋进军的深度与广度的不断扩展，海洋经济的门类 已遍及人类经济生活的各个领域，它们需要有不同类型的海洋工程技术和有关装备作为 技术支撑。同时，由于海洋环境条件十分复杂，有时还极为恶劣，海洋工程设施及相关 技术装备的造价十分昂贵，尤其当这些设施愈来愈向深海及大洋推进、工程设施的规模 日趋庞大，其所需投资剧增，从而要求人类对海洋环境条件的认识和对工程设施的设计 理论与建造工艺有很大的提高与深化，以期在保证工程设施安全可靠的前提下节约投 资、缩短建设周期、减少维修工作和延长使用年限。 海洋工程领域中近海结构的受力和运动问题，一直被视为最为基本、也最为繁难的 专题。尤其随着海洋开发活动由浅水到深水的发展，海洋平台面临的环境条件愈益严酷， 这又对近海平台的设计建造提出了更高、更苛刻的要求。 平台的灾难性事故和由此带来的人员伤亡及经济损失也从反面促进了平台设计技 术的革新和进步，并且构成近海工程这一人类征服海洋的高风险事业的发展历史中的 个组成部分。1 9 7 9 年我国的自升式钻井平台渤海2 号在移位中因操作不当而翻沉，遇难 者达7 0 多人；1 9 8 0 年北海挪威e k o f i s k 油田的一座半潜式平台a l c x 锄d c r 磁c n 觚d 号因结构 疲劳破坏而倾覆，死亡1 2 0 余人，堪称海洋工程界的“t a t a n i c ”灾难p j ，以至于从二十世 纪9 0 年代起挪威船级社开展了海洋工程项目的风险评估研究，力争将其风险降至最小。 海洋平台由于其作业要求，不可避免地受到各种海洋环境的考验。因此在设计平台 和校核平台强度时，必须考虑平台可能受到的各种外载荷，以保证平台海上作业的安全 性。通常所考虑的作用在平台上的外载荷为风载荷、波浪载荷、海流载荷和冰载荷等。 各种海洋平台，无论是钢质桩基固定平台，还是各种型式的移动式平台，其基础( 沉垫) 和支撑结构( 立柱) 都浸入海浪中，承受着相当大的波浪作用力。所以，波浪载荷是作用 在海洋工程结构物上的一项主要外力。 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 海上结构物所承受的波浪荷载，常常是设计该结构物的控制荷载，它对工程的造价， 安全度及工作寿命起着举足轻重的作用。波浪对结构物的作用力的特性不仅取决于所处 海域的波浪参数( 波高、周期) 及水深等，而且与结构物的型式有关。 近些年我国海洋石油事业也得到大力的发展，新开发了大量的海上油田。80 年代 以来，我国为加快石油工业的发展，加大对外合作力度，积极开发海洋石油资源。海洋 石油总公司认真贯彻对外开放的方针，走出了利用外资、高速高效发展的新路。公司成 立15 年来，直接利用外资共5 0 多亿美元，石油年产量从原来的10 万吨，发展到19 96 年的1500 万吨，加上天然气，油当量达18 0 0 万吨，为我国经济建设作出了重 要贡献。随着海洋油气开发产业日益蓬勃，各类海洋平台也应运而生，我国海洋石油工 业的发展前景十分可观。三大石油公司都相应提出了自己的海洋战略，紧锣密鼓的发展 海洋石油事业，预计到2 0 10 年，年产油当量达到4 0 0 0 万至50 0 0 万吨。 在海洋石油开发中离不开各种形式的钻井平台，而钻井平台多为自升式平台。自升 式平台是由一个驳船形船体和数个能够升降的桩腿所组成的海上平台。在作业时主要靠 桩腿固定于海底，平台船体被桩腿支撑在海面之上。因此在平台的受力分析中对平台桩 腿所受的波浪力进行分析是必要且重要的。 波浪载荷是随时间变化的载荷，是一种动载荷。因此要考虑结构的应力，变形等不 能简单的从静力学方面求解，进行动力学分析是必不可少的。无论是规范设计还是当前 流行的船舶结构直接设计法，一般都要求对工程结构进行动力分析，以保证结构及设备 的正常工作与运行。近些年来，人们越来越多的关心在极限环境条件下，结构的极值响 应问题。特别是在经历了这么多海洋工程设施事故后，各大船级社都增加对极端海况的 描述，无论是百年一遇的极大波高，还是要求运用八阶斯托克斯波浪理论1 4 】进行波浪载 荷的计算，归根结底都是为了海洋工程时也能在安全可靠的条件下健康发展。 1 2 国内外研究历史、现状 确定作用于海洋工程结构物上的波浪载荷，可以采用两种不同的方法 5 1 1 6 1 ，一种是 设计波法，它是确定性方法，即用一给定周期和波高的波浪代表一定环境条件下出现的 最大波。再根据一种恰当的波浪理论来描述波浪的响应特征，如波浪的剖面、水质点的 速度和加速度等。利用一般流体力学的方法计算波浪力。设计波法是根据理想化的规则 波来计算波浪力，它虽不能完全反映不规则波对平台的作用。但计算方法简便，使用方 便，使用面广，常为海洋工程设计采用，也是海上平台规范【7 l 【8 】中规定的波浪力的计算 方法之一。实际应用中一般以5 0 年或1 0 0 年一遇的规则波最为设计波，然后计算作用 在平台上的使用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 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 衡准校核平台的结构安全性。另一种方法是随机分析方法或概率方法，它是建立在海况 的统计特征上的，它将实际海面上不规则的波浪认为是由许多具有随机相位的简单波叠 加而成，各个简单波动的能量在相应的波频上的分布就构成一个海浪谱。用此方法可以 在某一置信度内得到结构的最大应力、位移等特征响应结果。 海洋结构物在波浪中的运动及其遭遇的环境载荷是设计与使用中的关键问题之一， 是从事水动力和结构性能计算的重要先决条件。早期在海洋工程领域广泛应用的有 m o r i s o n 方程法，是建立在半经验半理论上的对于固定细长构件遭遇波浪载荷的一种行 之有效的二维计算方法。近代由于海洋结构物尺寸的大型化和形状的复杂化以及环境因 素的极端化，建立在势流理论上的三维源汇分布法或g r e e n 函数法得以开发与应用。鉴 于对极端海况的关注，上述各种在频域中的计算分析方法的应用受到了限制，因而基于 这些理论的时候直接计算方法也获得了发展机遇。在现行的船级社船舶设计规范中对一 般的船舶与小尺寸结构物的运动与载荷的计算，m o r i s o n 方程法与切片法仍然是被推荐 的计算方法。然而对于大型船舶与海洋平台的计算，有的设计规范已经规定必须应用三 维算法进行验证计算。实际上，二维方法通常可以用于方案设计或初步设计，三维方法 则用于详细设计；对于组合结构海洋结构物的各组成部分，又可以根据其形状与流畅的 不分别应用相应的计算方法，最大限度地简化计算。 随着计算机技术的迅猛发展，计算机技术也越来越多地应用于平台设计方面，平台 的安全问题当是首要运用这一技术来解决的重大问题，海洋工程的复杂性需要一套适应 计算机的计算方法。在一定的海洋环境载荷下，能够快速而又准确地计算出桩腿各个时 刻的受力情况，再用目前已经比较成熟的有限元软件分析结构响应。特别是近些年涌现 了一大批专门解决海洋结构物在波浪中受力分析的软件，更加真实的模拟实际工程中的 状态，得到的结果真实可信度高。 s e s a m 9 1 由挪威船级社( d n v ) 研发推出，是一款专门针对海洋工程设计分析的软 件，其最大特点是功能模块化，不同的子程序模块分别完成模型建立、环境分析、结构 分析、结果处理等功能。环境分析模块包括计算导管架下水的u 山n c h ，计算船体波 浪载荷的w a v e s h i p ，计算框架结构波浪载荷的w a j a c ，计算一般结构波浪载荷的 w a d a m 。w a d a m 全称为w a v ea n a l y s i sb yd i f f r a c t i o na n dm o r i s o nt h e o r y ，指基于绕 射和m o r i s o n 理论的波浪分析，用于计算任意形状固定式或浮动式结构的波浪一结构相 互作用。 a b a q u s 1 0 】是美国瑚【s 公司( h i b b i t ，k a l l s s o n & s o r e n s e n ，i n c ) 推出的、目前国际上最 权威的大型非线性有限元计算软件，目的是对固体和结构的力学问题进行数值计算分 析。其d o a q u a 模块扩展 s t a n d a r d 模块的功能，它的一系列功能可以附加在s t a n d a r d 模块 白升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 上应用。其目的是模拟海上结构，例如海洋石油平台、深水下的升降器和管道系统。其 中某些功能包括模拟波浪、风载荷及浮力等的影响。a q u a 可以用于静态和动态计算，在 计算中，流体速度假设由两部分迭加而成；随位置和高度而变化的稳定流、重力波。流 体颗粒的加速度只与重力波有关系。流体颗粒的速度和加速度用来计算沉浸物的拖曳力 和惯性力。 a n s y s 1 1 】软件是一个功能强大的有限元通用软件，具有强大的前处理、求解和后 处理功能，目前广泛应用于航空航天、交通、机械制造、水利水电、土木工程等一般工 业与科学研究领域，可进行静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态分析、谱分析等等。 a n s y s 具有非常齐全的单元库，包括梁单元、2 d 实体单元、3 d 实体单元、壳单元及管 单元等等，其中p i p e 5 9 单元为浸在流体中的管单元，可计算位于水中的圆管形构件的 浮力、流体力、波浪力的静载荷与动荷载。 1 3 自升式平台 自升式平台可适用于不同海底土壤条件和较大的水深范围，移位灵活方便，便于建 造，因而得到广泛的应用。在世界上，四种常用活动式平台中它占三分之二以上，在我 国它也是占大多数1 1 l 。自升式平台产生于1 9 5 1 年，据w o r l do i l sm a r i n ed r i l l i n g r i g s 2 0 0 3 2 0 0 4 的调查报告表明，截至2 0 0 4 年底，世界移动式平台总数为6 2 5 座，其中 自升式平台有3 8 1 座，占总数的6 1 ，半潜式平台有1 7 2 座，占总数的2 7 5 。 1 3 1 自升式平台结构组成 自升式平台是由一个驳船型船体( 上层平台) 和数个能够升降的桩腿所组成的海上 平台【2 】。这些可升降的桩腿能将船体上升到海面以上一定高度，支撑整个平台的海上作 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。自升式平台的优点主要是所需钢材少，造价低，在各种海况下都能平稳等进 行钻井作业；缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制，最大的工作水深约在 1 2 0 m 左右。超过此水深，桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿升高很快，对平台稳性 和桩腿强度都不利。 自升式平台由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。 1 平台主体结构 平台主体的平面形状一般有三角形( 三腿) 、矩形( 四腿) 和五角形( 五腿) 等， 如图1 1 所示。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 平台主体结构形式 f 蟾1 1t h es t r u c t u r ef o r mo f j a c k - u p sb o d y 平台主体通常是一个具有单底和双层底的单甲板箱型结构。其内部根据作业、布置 和强度的要求设有纵舱壁和横舱壁，但在桩腿之间的连线上必须设置强力舱壁作为平台 主体的主桁材。在大的液体舱内有时还设有止荡舱壁以缓冲舱内液体在平台运动时的摇 荡。主体结构的甲板、底板、舱壁等也和一般船舶一样需要有扶强材或强桁材加强。 2 桩腿结构 桩腿的作用主要在平台主体升起后支承平台的全部重量，并把载荷传至海底。桩腿 的型式可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结构，其横断面有 圆形和方形两种，如图1 2 所示。 痧礼圈蠊 图1 2 桩腿结构形式 f i g 1 2t h es t r u c t u r ef o r mo f j a c k - u p sl e g 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 图1 3 桁架式桩腿结构形式 f i g 1 3t h e s t r u c t u r ef o r mo ft r u s s - t y p el e g 为配合升降装置，桩腿上设有销孔，有的装有齿条。这种壳体式桩腿一般用于工作 水深6 0 7 0 m 以下，再深则需要增大桩腿尺寸，导致更大的波浪载荷，结构的重量也增大。 因此，深水的自升式平台都采用桁架式桩腿，如图1 3 所示。桁架式桩腿由三根弦杆和许 多组水平撑杆与斜撑杆组成仿k 字形单元构成，在每一站的水平撑杆中间还会有三根内 支撑杆加强骨架。在每一根弦杆中间贯穿齿板和两组齿条，与所在弦杆相邻的两个水平 撑杆的角分线垂直。 图1 4 靴结构形式 f i g 1 4t h es t r u c t u r ef o r mo fs p u dt a n k 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 为适应海底地貌和土质的不同情况，桩腿下端结构可设计成单独带桩腿箱( s p u dc a n ) ， 亦称桩靴( f o o t i n g ) ，或设计整体沉垫的型式。 带桩靴的桩腿一般说可兼顾软硬地基的要求。桩靴的主要型式如图1 4 所示。对较硬 的海底，桩靴设计成具有较小的支承面，甚至略带锥形：对较软的海底，桩靴的平面形 状有圆形、方形和多边形等。在近些年间所造的新平台中，绝大部分都采用正十二边形 桩靴。其特征是有着纺锤形的外观，由顶板和底板组成，其俯视图为正十二边形，由形 心向各个角辐射出肋骨支撑纺锤形结构，顶板和底板上以一定间距布置纵骨增加强度。 其型式如图1 5 所示。 一庭 图1 5 正十二边形桩靴结构形式 f i g 1 st h e s t r u c t t l t ef o r mo fd o d e c a g o ns p u dt a n k 3 升降机构 升降装置安装在平台主体和桩腿的交接处，升降装置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。 1 3 2 自升式平台的设计步骤 自升式平台工程复杂，投资大，周期长，设计时应严格按照设计程序进行，一般分 成方案设计，技术设计和旌工设计等三个阶段。 n ) 方案设计阶段：主要任务是根据设计任务书的要求，对平台主要的技术和经济 问题进行论证，提出几个方案进行综合分析比较，初步确定平台结构型式、主尺度、总 体性能、总布置和总造价，提出审查，以便选择最佳设计方案。 ( 2 ) 技术设计阶段：在确定平台方案、结构型式和主尺度前提下，解决各部分主要 的技术问题，需进行大量的计算、绘图、编写计算书、说明书、材料单、建造工艺等技 术文件，以满足平台检验部门审查的要求和平台建造厂施工准备的要求。 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 图1 6 自升式平台设计流程 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 施工设计阶段：主要围绕解决施工建造中的技术问题，绘施工详图、制定施工 建造工艺，这阶段需绘制大量的施工图。施工设计应根据承造厂的设备能力和技术水平 的实际情况进行设计。 自升式平台结构设计通常采用如图1 6 所示的步骤。图中指出了结构设计、总体设计 的一般步骤，各设计阶段的主要工作以及它们之间的相互关系。首先根据设计任务书的 要求制定具体的设计条件：有海洋环境条件、平台使用技术条件和施工建造条件。然后 选定结构型式并确定主尺度，进行平台总体布置和总体性能计算，接下来根据已确定的 结构型式计算各种载荷，选定结构构件尺寸，进行强度校核，直至满足相应规范要求， 后再进行重量校核和局部节点结构设计，确定节点结构结构型式，节点焊接工艺设计和 节点疲劳分析。最后绘制施工详图，进行施工建造工艺设计。 本论文所研究的工具是针对外载荷计算确定构件详细尺寸这一环节，如图1 6 红线标 识区域。 1 4 论文的目的与本文工作 1 4 t 论文的目的与意义 在现今的海洋平台设计过程中，特别是在方案设计阶段确定结构型式，结构尺寸中， 修改非常频繁。特别在自升式平台设计中，桩腿和桩靴在环境载荷作用下结构强度的分 析显得尤为重要，可以说桩腿和桩靴设计的成败决定了整个平台设计的优劣，因此桩腿 和桩靴在各种不同结构尺寸下的方案评估与选优是设计过程中要反复进行的工作。而传 统的结构评价中，是采用简化模型进行粗略的结构计算分析，甚至是凭经验进行估算， 得到的结果可信度不高。而利用有限元软件进行传统的建模加载计算，可以得到理想的 结果，可是面对设计方案的频繁改动，需要进行复杂的修改有限元模型，甚至重建模型， 环境载荷的加载也是手动，人工加载，在变换环境参数后需要重复以上的加载工作，所 以效率低下。 鉴于以上现实设计工作中所遇到的困难，迫切需要一个快速的工具，将有限元分析 方法和参数化集成起来，实现自升式平台桩腿桩靴有限元模型的参数化生成，依据环境 参数进行环境载荷的自动计算和加载，提供结果的自动提取，为设计工作提供依据，辅 助确定自升式钻井平台设计初期桩腿和桩靴的结构尺寸。这个系统最大的特点是参数化 和快速性，具体体现在桩腿桩靴模型的参数化，即提取桩腿桩靴结构的特征尺寸作为参 数，对这些参数进行合理的变化就可以生成新方案的有限元模型。环境载荷的参数化， 其中包括载荷计算的参数化和参数化加载，根据输入水深，波高，风速等环境参数可以 自动计算出有限元模型所受的环境载荷。应用自建的模型节点号与水深的函数关系，将 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 之前得到的环境载荷结果合理的施加到模型相应的节点上。如此理想的功能便可以满足 方案设计阶段频繁修改的工作要求，而且可以为每一次修改提供有效的、快速的定性评 估，大大的方便了方案的比较和选优，提高了设计工作的效率。 1 4 2 本文工作 本课题主要针对自升桁架式平台桩腿和桩靴的结构特点，利用高级编程语言v i s u a l c 牛+ 6 0 建立集成环境，集成a n s y s 作为求解器进行结构静力分析，集成有限元参数化 建模模块，集成环境载荷参数化计算模块，集成有限元模型参数化加载模块。实现桁架 式桩腿和正十二边形桩靴的参数化建模与分析，如图1 7 。 图1 7 系统流程图 f i g 1 7t h ep r o c e s so ft h i ss y s t e m ( 1 ) 对自升式平台桩腿桩靴进行参数化建模。以南海四号自升式平台桩腿和桩靴为 母性建立有限元模型，自定义提取能表示各部分构件特征的参数，利用a p d l 语言建立 自升式平台桩腿桩靴结构化、参数化的命令流文件，然后在v c 建立的用户输入界面输 入各个参数值，以a n s y s 提供的接口，调用a n s y s 自动读入之前建立的命令流文件， 从而实现自升式平台桩腿桩靴的参数化建模。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 对已有的模型进行波浪力和风力的自动加载计算。运用m o r s i o n 方程以线性波 浪理论计算桁架式桩腿各个管件在每米深度所受的波浪力，利用自定义的水深和模型节 点号的函数关系，将各深度管件所受的波浪力自动加载到相应的节点上。参照规范上风 载荷计算方法计算出平台主体以及各个设备的所受的风力载荷，依据水深和平台高度的 参数计算出平台总的风力矩，转化为集中力自动施加到桩腿顶部的节点处。同样将所得 到的环境载荷转化为对海底的平面的力矩，求出平台的倾覆力矩均匀的施加在桩靴与桩 腿接口处的各个节点上。实现了对模型的自动加载和计算，大大提高了有限元分析的效 率。 ( 3 ) 分析自升式平台在两种风暴自存工况下应变和应力，与s e s a m 环境下同样平台 同样环境参数的结果进行比较，体现本程序的准确性和实用性。 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 2 基于a n s y s 的参数化结构建模 与任何大型软件一样，a n s y s 不仅提供强大的g u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) 前台应用 功能，它还提供了强大的二次开发接口，以顺应各专业领域的用户的需求和求解特殊问 题的需求，以使a n s y s 在各个应用层次上发挥强大的功能。a n s y s 提供了三个方面的 二次开发接口1 i 2 1 ： ( 1 ) a p d l ( a n s y sp a 舳c 仃i cd e s i g nl a n g u a g e ) 参数化设计语言。 ( 2 ) u i d l ( u s e r - i n t e r f a e ed e s i g nl a n g u a g e ) 用户界面设计语言 ( 3 ) u p f s ( u s e rp r o g r a m m a b l ef e a t u r e ) 用户可编程特色接口 熟练掌握以上三种语言，可以充分挖掘a n s y s 在数值分析和数值模拟方面的功能， 从理论上说，运用以上三种语言可以实现任何复杂工程问题的数值模拟。 2 1 概论 大型通用有限元分析软件a n s y s 已经在中国得到越来越广泛的应用，特别是近年来 a n s y s 在海洋工程领域的应用得到飞速发展，胜利油田、渤海石油公司、中国船级社、 众多的科研单位和各大高校都已购进a n s y s 软件，因此开发适合于海洋工程应用的 a n s y s 专用模块已经成为业界的需要。 a n s y s 的二次开发功能要体现在它所提供的编程语言a p d lu m l 瘌高级开发技 术u p f s 。一般来说，一套软件推出后，其本身提供的编程语言也会得到广泛的应用， 比如a u t o c a d 的脚本语言a u t o l i s p 。由于a n s y s 软件是大型通用有限元分析计算软件，要 熟悉使用它，就必须具备一定的数学、力学和有限元理论知识，而且还要具备深厚的工 程实际经验，比如具体的问题如何简化成合理的实体模型，然后如何把实体模型转化成 合理的有限元模型。因此，a n s y s 的应用目前还主要局限于它的一般应用，即：建模一 求解一后处理的过程。而对a n s y s 的二次开发研究目前还处于起步阶段，其开发原理、 方法、内部机制和编程规则仍需做很多具体的研究工作。 国外这方面的研究在a n s y s 的官方网站w w w a n s y s c o m 和a n s y s 的讨论网站 w w w a n s y s n e t 上有较多的讨论。 国内这方面的工作还是刚刚开展，针对具体工程问题a n s y s - - 次开发还处于探索阶 段，一些高校和研究所进行了一些积极的研究，也取得了一定的研究成果，并在 a n s y s 2 0 0 0 年会上得到集中体现。这些研究和开发工作大致分为两类：一是为解决专门 的实际问题而开发的专用模块，这些模块已用于土木工程基础问题【埘，水利工程的波浪 问题，机械结构的整体设计技术1 1 4 1 机械设计优化【1 5 】这些模块开发充分利用了a n s y s 提 大连理工大学硕士学位论文 供的二次开发技术，特别是参数化建模技术，并且针对各自专门领域进行了很多优化设 计。因为这些模块的开发是为了解决工程实际问题。所以在用户界面上做的不是很完善 相比之下，另一类研究和开发工作主要针对商业化的模块，这些商业化的模块不仅能解 决专门领域的实际问题，而且用户操作界面做得比较完善，这些开发的模块已经推向市 场，并取得了经济效益。如用a n s y s 开发的应用于机车柴油机铸造成型模型的专用模块 1 1 6 ，用第三方语言d e i p h i 开发的a n s y s - - 次开发工具p a r a 2 g u i 口- f f y 以插入任何a n s y s 宏文件，压力容器自动化分析软件c p v 。a n s y s t l 7 1 等都是商业化模块。因i 比a n s y s - - 次 开发技术具有重要的技术价值和广阔的市场前景。 应用a n s y s 的二次开发技术，对自升式平台桩腿和桩靴进行结构分析是一个全新的 概念和方法，目前文献中尚无相关内容。因此，本人进行的工作在自升式平台桩腿和桩 靴结构分析方面尚属首次，不仅在自升式平台桩腿和桩靴结构有限元分析方法上有开创 性的意义，而且在自升式平台桩腿和桩靴设计与a n s y s 程序二次开发实践中具有很大的 实用价值。 2 2 有限元模型 对结构进行有限元分析，首先要建立有限元模型。它是根据结构物的结构形式、受 力情况、精度要求和计算的最终目的，运用结构力学和有限元知识，对实际结构进行简 化，选用适当类型的单元加以模拟而得出的模型。 ( 1 ) 元素选用：自升式平台是复杂的空间结构，通过桩靴插入泥土中支撑整个平台， 由固桩结构将桩腿和船体牢固的联结在一起，形成整体结构。在比较真实的反应结构受 力情况的基础上，对平台进行简化，以方便计算分析。这里将平台主体简化为环梁和9 根弦杆刚性相连，环梁选用b e a m 4 4 梁单元，模拟了升降装置的齿轮齿条的锁紧状态。这 里为了能更好的模拟弦杆实际的截面型式如图2 1 ，特别是在结构分析中，不能忽视齿条 和齿板支撑弦杆抵抗弯曲的作用，因此为弦杆选用b e a m 4 4 梁单元，自定义其截面属性， 使其更加接近实际的截面形状。其他的撑杆选用p i p e 5 9 【”】的管单元，p i p e 5 9 是一种具有 拉压、扭转和弯曲能力的并且单元力可以模拟海洋波浪和流作用的单轴单元该单元的 每个节点有六个自由度：节点的x ，y ，z 方向的平移和绕节点的x ，y z 轴的转动。该单元 与p i p e l 6 相似，不同之处在于p i p e 5 9 的单元荷载包括水的流体动力和浮力作用，以及单 元的质量包括水的附加质量和管的内部质量。该单元具有应力加强和大变形能力。因此 很适合波浪载荷下的结构分析。 桩靴大都是板筋结构，因此选用s h e l l 6 3 单元，由于与桩腿单元类型不匹配，因此将 桩腿和桩靴分开进行有限元分析。桩腿的第一站作为分割处，在桩靴模型中，与桩腿的 自升式平台桩腿桩靴参数化建模与分析研究 接口处的结构非常复杂，在这的受力也会非常大，因此要尽量细化模型更好的模拟实际 情况。 图2 1 弦杆截面模型 f i g 2 1t h em o d e lo fc h o r d ss e c t i o n ( 2 ) 单元划分：桩腿中的垂直和水平的管件都已1 m 的网格大小进行划分，斜撑杆则 要以2m 的网格大小进行划分，此目的为了配合以后的参数化加载工作，在第四章会详 细论述其方法。 ( 3 ) 材料的物理特性：材料是实际结构的承载体，任何实体都由各种材料构成。但 在分析中，则是通过弹性模量、泊松比等参数以数值的形式来描述一种材料。为了让环 梁能模拟实际平台主体锁紧各条桩腿的作用，使其在变形时可以互相牵制，这里定义环 梁为刚度很大的理想材料，其弹性模量e - 2 1 1 0 2 1 p a ，泊松比，一0 3 。桩腿和桩靴所 用的钢材为各向同性，具有线弹性本构关系。其弹性模量e 一2 1 x 1 0 1 1 p a ，泊松比，- o 3 。 2 3a n s y s 二次开发的方法和工具 a n s y s 二次开发主要是运用v i s u a lc + + 开发用户交互界面，以便于用户和程序的交 互，运用a p d l 参数化建模和封装a n s y s 命令集，然后利用v c 与a n s y s 接口语言调用 a n s y s 运行指定的a p d l 文件。 大勰工大学硕士学位论文 2 3 1a p d l ( a n s y sp a r a r o e t ricd e sig nl a n g u a g e ) 参数化设计语言 a p d l t l 9 1 是一种解释性语言，主要面对熟练掌握了a n s y s 基本分析过程：建模一求 解一后处理，并且有编程经验，特别是具有f o r t r a n 7 7 编程经验的用户，这些用户一般是 为了尝试使用a n s y s 变量设计语言进行开发，以充分发挥a n s y s 的潜能。a p d l 是一种 非常类似于f o r t r a n 7 7 语言的命令流似的语言，它的核心内容为宏、参数、循环命令和条 件语句，可以通过建立参数化模型来自动完成一些通用性强的任务；a p d l 可用来自动 完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能 化分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据指定的 函数、变量以及选用的分析类型来作决定，是完成优化设计和自适应网格的最主要的基 础。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权，如分 析模型的尺寸、材料的性能、荷载、边界条件施加的位置和网格的密度等。通过精心的 计划，就可以利用a p d l 仓o 建一个完善的分析方案。以下所述的是本文进行自升式平台 桩腿和桩靴结构分析a n s y s - - 次开发时所使用的a p d l 语言功能。 2 3 2a p d l 语言中的参数使用 一、参数化变量的使用 ( 1 ) 变量的类型 a p d l 提供两种类型的参数，即标量和数组。标量参数可以是整型和实型，也可以 是不超过8 个字符的字符串，字符串用双引号括起来，数值型变量均保存为双精度类型。 参数在使用之前必须提前定义。数组参数包括：数值型、字符型、字符串型和表格类型。 ( 2 ) 变量的命名 对于参数名，和其它任何语言一样，它有事先的约定，必须按照一定的命名规则。 在a p d l 中，参数名的命名按照如下规则：必须以字母开头；只能包含字母、数字和 下划线“一”；其长度不能超过3 2 字符。例如p i 、s t r e s s