浅海井组计量平台设计王明明初稿

1、四桩腿浅海井组计量平台设计第一章 前言社会的发展和经济的进步给能源问题带来了新的挑战，如何更有效地利用现有能源并且不断开发新能源成为世界各国普遍关注的一个问题。而今陆地上的油气资源经过长时期大规模的开发之后已日趋枯竭，油气勘探与开发渐渐转向了资源丰富的海洋，并形成了投资高、风险大并且高新技术密集的海洋工程产业。海洋石油开发是海洋资源开发利用中举足轻重的一部分。目前世界上己有39个国家(或地区)从事近海石油开发，22个国家(或地区)从事近海天然气开发。我国幅员辽阔，海洋资源丰富，大陆架面积约有110万平方公里，渤海，黄海，东海和南海的沉积盆地面积较大，天然资源储量丰富，其中具有油气勘探价值的面积

2、就在60万平方公里以上，即一半以上的海域有宝贵的石油。据相关资料显示目前已探知的石油储量可达250亿吨，为我国海上石油天然气资源的开发奠定了良好的基础。我国的海洋石油勘探开发始于1957年，改革开放以来，我国的海上石油开发更是进入了如火如荼的高速发展期，到2000年生产能力已达到2000万吨。目前海洋石油己成为我国重要的原油生产基地。在海洋石油的开发过程中，尤其是对浅海的开发，各国广泛采用导管架平台。导管架平台具有如下特点：(1)平台的支承结构是以圆钢管为主要构件的钢结构，因此结构受力状态较好。(2)由于桩是通过导管架腿柱打入海床，因此在恶劣的海洋环境中，桩打的准、打的直。(3)打桩作业大大简

3、化，保证平台结构的整体稳定性。(4)平台可以在陆上分块预制，海上组装，保证施工质量，节约投资。(5)导管架平台设计、制造及安装技术成熟，实践经验多，适用性强。计算机技术的发展进步，sap、msc/nastran、ansys等各种结构分析软件的广泛应用，为平台及导管架的设计和强度计算提供了良好的技术支持。其中，ansys是世界著名的美国ansys软件公司的最具盛名的cae软件，它在海洋工程领域的应用极为广泛，它提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应分析的pipe59单元，能够有效模拟海洋环境中的导管架结构，计算构件在海水中受浮力、波浪力、流力等载荷的影响。在浅海海洋工程结构物尤其是浅海平台的研

4、究和设计中，ansys已经得到较为成功的应用。1.1 国外海洋工程发展状况海洋平台的建造历史可以追溯到1887年在美国加利福尼亚所建造的第一座用于钻探海底石油的木质平台 。而钢制导管架平台则是在1947 年首次出现于墨西哥湾6米水深的海域，此后，海洋平台得到了迅速发展。到1978年，钢制导管架平台的工作水深已达312米，而不久前高度486米的巨型导管架平台也已安装于墨西哥湾411米水深的海域。19901995年间，除美国以外全世界共安装了703座平台，其中83座为半潜式、张力腿式和可移动生产平台，41各国家安装了370多座水深不超过60m的浅水平台。131.2 我国海洋工程发展现状我国海域辽阔

5、，海洋资源尤其是海洋油气资源储量丰富，为了更好地开发利用海洋油气资源，我国建设了大量的海洋工程，其中用于油气开发的海洋平台100多座。海洋环境较之陆地环境更加复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐和地震等以不同的组合形式对海洋平台构成威胁，这就使得海洋工程及海上油气资源的开发面临着较大的风险和挑战。从1966年渤海建造第一座钢质钻井平台到1980年对外合作勘探开发的15年里，我国自主设计建造了11座固定式钻井平台、7座固定式平台、1座自升式平台、1座单点系泊系统和3艘工程船舶。虽然我国海洋石油开发较晚，但近年来通过对外合作，引进国外先进技术，加上自己研究开发，已在该领域取得了显著的进步。200

6、4年，国内最大石油平台渤海南堡352油田开发项目平台组块建造工程开工，南堡352cep/whpb平台总重达到了12000多吨。其中cep平台组块长64米、宽59米、高20.6米，重达8000余吨，whpb平台也达到了4000吨。国内浅海采油井口平台的发展与新构想主要是用现有成熟的技术经过优化设计适应不断加深的水域环境，实现钻井、修井、采油一体化固定平台的设计。力争实现在设计海域坐标位置上建成适应几十口井采油能力的导管架平台,根据规模的大小,有四腿或多腿导管架。本文介绍了浅海12米水深海上石油计量导管架平台的设计，主要包括以下几方面内容：1 学习ansys在平台结构设计过程中的应用；2 平台选型

7、、主尺度和构件尺寸的确定；3 环境载荷计算及各工况载荷的组合；4 建立ansys模型；5 对平台进行静力、动力强度分析及校核；6 地基承载力计算及校核。第二章 环境条件和设计依据2.1 环境条件设计水深： 12米潮位以黄海平均海平面为基准校核高水位（50年重现期）： 3.08米设计高水位： 1.48米设计低水位： -0.69米校核低水位： -2.32米波浪：风浪为主，涌浪次之，强浪向nne-ene校核高水位最大可能波高： 7.2米对应波浪周期： 8.6秒设计高水位最大可能波高： 6米对应波浪周期： 8.6秒海流：方向：ese，wnw最大可能流速： 1.6m/s最大实测流速： 0.98 m/s风

8、：强风向：nw-nnw，nne-ene风速： 冰作用下，设计风速28m/s波浪作用下，设计风速51.5m/s海冰：设计冰厚（50年一遇）： 0.45m 抗压强度： 2244kpa腐蚀和磨损：飞溅区构件腐蚀裕量： 3mm飞溅区定义标高： -2.69m+5.84m冰接触区构件磨损量： 1mm冰接触区标高： -1.14m+1.93m地质资料：表2.1地基土壤的物理学性质土壤层号土壤名称深度m水下容重kn/m3剪切强度c(kpa)摩擦角Ø（度）1非常软的粘土025.03.02粉砂质粘土247.08.045.158.540.05.157.558.018.03细砂7.5511.358.50304

9、硬的细砂质粘土11.3515.2510.080.05粉砂15.2518.310.5256粉砂质细砂18.323.410.0307粉砂质粘土23.427.810.050.08粉砂27.831.19.0302.2 设计依据平台用途和主要功能：本文所设计的导管架平台为浅海井组计量平台，包括甲板、导管架、桩基等部分。平台上部设备总重量为200吨。平台用钢材：平台所用钢材为：桩基础和导管架均用，甲板使用q-235-a。按照规范要求，钢材的屈服应力为315mpa，许用应力取189 mpa；q-235-a钢材的屈服应力为235 mpa，许用应力取141 mpa。使用年限：平台的使用年限为15年。依据规范：中

10、国船级社浅海固定平台规范（2003） 第三章 平台选型和主尺度设计要求：平台甲板面积17m×12m，承载能力200t。 考虑环境条件，决定采用摩擦桩基础四腿导管架平台：平台甲板高程：9.00 m 工作点高程：5.50 m导管架尺寸：上部工作点处（el+5.50m）为9m×8m底部（el-9.00m）为11.9m×10.9m桩腿导管直径为ø1340×25，斜度为1/10。导管架设3层水平横撑，潮差带不设斜撑，el-3.00m处的水平外围横撑尺寸为ø610×25，其余水平外围横撑与斜撑尺寸均为ø610×20，

11、水平内围横撑尺寸为ø400×20。导管架底部设置防沉板，防沉板厚度为8 mm。选取摩擦桩桩径为1.2m，则根据ccs规范钢管桩壁的最小厚度t按下式计算： t=6.35+d/100 mm式中 d一桩径，mm，则取桩壁厚为30 mm > t=6.35+1200/100=18.35 mm。桩入土深度为30m，总长为46.3m。平台甲板采用板、梁结构，面积为17m×12m，甲板板厚为 8mm ，y向设5根主梁，x向设4根，主梁为600×300×25工字梁。 表3.1 导管架结构重量计算名称截面面积（）长度（m）密度数量质量（kg）导管ø

12、1340×250.10318.507800459451.6el+4.00水平外围横撑0.0377.46780048611.824el-3.00水平外围横撑0.0468.767800412572.352el-12.00水平外围横撑0.03710.967800412652.224el+4.00水平内围横撑0.0246.16780044612.608el-3.00水平内围横撑0.0247.08780045301.504el-12.00水平内围横撑0.0248.63780046462.144斜撑ø610×200.03710.027800823134.176合132798.

13、432第四章 环境条件计算本章分别计算风浪、风冰两种工况下x和y向的载荷。4.1 风载荷4.1.1 计算公式作用于平台上的风载荷按下式计算： 式4.1式中 p风压；a结构垂直于风向的投影面积。载荷作用在上述投影面积的形心位置。其中，结构所承受的风压为： 式4.2为基本风压，标准高度为海面上10m式4.3式中 风压的高度系数；构件的形状系数。、取值见表4.1和表4.2 表4.1 高度系数 表4.2 形状系数h(m)ch构件形状cs015.31.00 球0.415.330.51.10 圆柱0.530.546.01.20 大平板1.0 46.061.01.30 钻井架1.2561.076.01.37

14、 甲板以下暴露的梁和桁材1.376.091.51.43 孤立结构1.5其中h（m）为构件距离海平面的高度4.1.2 计算结果表4.3 风、浪、流工况下x向风载计算结果：(风速51.5m/s)名称底部位置b或dhchcsp0p（pa）f(kn)作用点m(kn*m)工作间9135111625.8291625.829105.678911.51215.307主梁8.2171111625.8291625.82922.111288.6190.157连接构件5.51.2410.51625.829812.91463.4142417.2524.75325桩腿51.2110.51625.829812.91460.

15、4877495.252.560681导管架01.34510.51625.829812.91465.4465282.5113.67079导管架横撑40.61810.51625.829812.91464.066199416.2648合141.2049合1462.714合力作用点高度=1462.714/141.2049=10.36等效载荷： f=141.2049kn m=141.2049x(10.36-9)=192.04kn*m作用点距静水面9米名称底部位置b或rhchcsp0p（pa）f(kn)作用点m(kn*m)工作间995111625.8291625.82973.1623211.5841.36

16、7主梁8.2120.8111625.8291625.82915.607968.6134.228连接构件5.51.23.510.51625.829812.91463.4142417.2524.753桩腿51.20.510.51625.829812.91460.4877495.252.56导管架01.34510.51625.829812.91465.4737612.5113.752导管架横撑40.618.210.51625.829812.91464.066199416.328合102.2122合1032.988合力作用点高度=1032.988/102.2122=10.10表4.4 风、浪、流工况下

17、y向风载计算结果：（风速51.5m/s）等效载荷 f=102.2122kn m=102.2122x(10.10-9)=112.433kn*m作用点距静水面9米表4.5 风、冰、流工况下x向风载计算结果：（风速28m/s）名称底部位置b或rhchcsp0p（pa）f(kn)作用点m(kn*m)工作间913511480.592480.59231.2384811.5359.2425主梁8.2170.811480.592480.5926.5360518.656.21004.连接构件5.51.23.510.5480.592240.2961.0092437.257.317013桩腿51.20.510.54

18、80.592240.2960.1441785.250.756932导管架01.34510.5480.592240.2961.6180332.514.061263导管架横撑40.617.210.5480.592240.2961.05948444.237937合41.60547合431.8257合力作用点高度=431.8257/41.60547=10.38等效载荷 f=41.605kn m=41605.3x(10.38-9)=57.415kn*m 作用点距静水面9米表4.6 风、冰、流工况下y向风载计算结果：（风速28m/s）名称底部位置b或rhchcsp0p（pa）f(kn)作用点m(kn*m)

19、工作间99511480.592480.59221.626611.5248.7064主梁8.2120.811480.592480.5924.613688.639.67768连接构件5.51.23.510.5480.592240.2961.009247.257.317013桩腿51.20.510.5480.592240.2960.144185.250.756932导管架01.34510.5480.592240.2961.618032.514.065308导管架横撑40.617.210.5480.592240.2961.0594844.237937合30.0713合304.7612合力作用点高度=3

20、04.7612/30.0713=10.134等效载荷 f=30.071kn m=30071.14x(10.134-9)=34.100kn*m 作用点距静水面9米注：为了在进行强度校核时简化计算并且减少应力集中，根据力的平移法则，将风载等效为一个集中力加一个弯矩，作用于导管架顶部，作用点距静水面9米。表格中“底部位置”均指构件底部距海平面的距离，“合力作用点高度”亦是指合力作用点距海平面的高度。4.2 冰载荷4.2.1 计算公式作用于平台上的冰载荷按下式计算： 式4.4式中：桩柱形状系数，对圆截面柱采用0.9； 局部挤压系数； 桩柱与冰层的接触系数； 桩柱宽度（或直径）； 冰层计算厚度。4.2.

21、2 计算结果根据ccs规范挤压系数k1=2.5；接触系数k2=0.45；由环境条件：2244kpa；由图纸资料：b=1.34m h=0.45m。则单个桩腿所受的冰载荷为：0.9×2.5×0.45×1.34×0.45×2244=1370kn考虑群桩产生的遮蔽效应和堵塞作用，受遮蔽的桩腿受到的冰载荷为： 0.31370×0.3411 kn根据ccs规范，当桩腿之间距离l>8d时不考虑“群桩效应”，d为桩的直径。有 8d=8×1.29.6m依据图纸，侧向桩泥线处最小间距为11.2m>9.6m，所以不考虑“群桩效应”。4

22、.3 波浪、流载荷4.3.1 计算公式对小尺度圆形构件，垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力， 当d/l0.2（d为圆形构件直径，m；l为设计波长，m）时，可按morison公式计算： n/m 式4.5式中： 海水密度，kg/m3 ； 垂直于构件轴线的阻力系数。必要时，应尽量由试验确定。在实验资料不足时，对圆形构件可取=0.61.0； 惯性力系数，应尽量由试验确定，在实验资料不足时，对圆形构件可取2.0； 水质点相对于构件的垂直于构件轴线的速度分量，m/s， 为其绝对值，当海流和波浪联合对平台作用时，为水质点的波浪速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量； 水质点相对于构件的垂直于构

23、件轴线的加速度分量，m/s2。当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度上的海流载荷按下式计算： n/m 式4.6式中： 阻力系数； 海水密度，kg/m3； 设计海流速度，m/s； 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，m2/m。设计海流速度采用平台使用期间可能出现的最大流速。 4.3.2 计算结果在ansys程序中，提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应的pipe59单元，能够有效模拟海洋环境中的导管架结构，所以需要在ansys模型建立之后，将有关波浪和海流参数填入water table表格中，程序将根据所选用的波浪理论对使用了pipe59单元的结构进行波浪力及流力的计算。考虑到所给出的环境资料

24、（h/d>0.2），选用斯托克斯五阶波进行计算，斯托克斯五阶波相关公式如下：波面方程为：式4.7迭代求l、方程为：式4.8其中为深水波长式4.9速度势方程为：式4.10相位角为： 式4.11波形系数： 速度势函数：其中 、为系数。4.4 甲板设备载荷该平台为石油计量平台，其设备总重约为200吨，计算时甲板载荷等效为4个各50吨的质量单元，作用于桩腿顶端的节点之上；平台结构的自重通过输入z轴方向的重力加速度（9.8m/）由ansys程序自动生成。4.5 工况和载荷组合4.5.1 波流工况1）x方向上（0°方向），波浪力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重2）y方向上（90

25、6;方向），波浪力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重4.5.2 海冰工况1）x方向上（0°方向），冰力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重2）y方向上（90°方向），冰力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重第五章 ansys程序和所选用单元的相关说明5.1 有限元法基本思路有限元法是一种利用电子计算机求解结构静、动态力学特征问题的数值解法，其基本思路是：1.把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特征参数在其中的分布，这一过程即离散。2.通过对单元的分析来建立各特征参数之间的关系方程，即单元分析。弹性力学中，单元分析的任务是建

26、立联系应变和节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力和节点位移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。3.在单元分析的基础上，利用平衡条件和连续条件将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程，即整体矩阵方程。这一过程为整体分析。4.求解整体矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。5.2 ansys有限元分析软件概况： 1970年dr .john a.swanson成立了swanson analysis system，inc.(sasi)，后经重组改称ansys众司。ansys是世界cae行业最著名的公司之一，其总部位于美国宾西法尼

27、亚州的匹兹堡。三十年来，ansys公司一直致力于设计分析软件的开发、维护以及售后服务等，并不断吸取最新的计算方法和计算机技术，始终领导着国际分析仿真和优化技术的新潮流，为全球工业界所认同，拥有十分广泛的用户群。作为新一代有限元分析软件的代表，ansys抓住了现代设计方法对cae技术提出的新要求，即以广泛的多物理场仿真分析的功能，承担起虚拟样机这一设计核心的角色。ansys软件可以实现多场及多场藕合分析，具有强大的非线性分析功能。它是一种可以实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型fea软件，并可支持从微机、工作站到巨型机的所有平台以及所有平台的并行计算。5.3 单元特性本文采用了以下

28、ansys单元模型进行计算：5.3.1 beam188 单元特性beam188 单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，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。beam188 是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于keyopt(1)的值。当keyopt(1)0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当keyopt(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。beam188/beam189 可以

29、采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型（不考虑横截面子模型）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。5.3.2 pipe16单元特性图5.1 pipe16单元模型pipe16是一种单轴单元，具有拉压、扭转、和弯曲性能。 该单元在两个结点有6个自由度：沿节点x，y，z方向的平移和绕结点x，y，z轴的旋转。该单元基于三维梁单元(beam4)，包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。图5.1描述显示了该单元的几何形状，节点位置和坐标系。单元的数据输入包括2个或3个节点，管的外部直径(od)

30、和管壁厚度(tkwall)，应力增量系数(sif)与挠曲系数(flex)，内部流体密度(densfl)，外部绝缘层密度(densin)与厚度(tkin)，允许侵蚀厚度(tkcorr)，绝缘表面积(areain)， 管壁质量(mwall)， 管的轴向刚度(stiff)，基于转子动力学的自旋频率(spin)，和各向同性材料性质。该单元的x轴为从i结点到j节点的方向。当单元由2个结点组成时，单元的y轴被自动设成平行于整体坐标系的x-y面。参见图16.1 pipe16几何描述。在单元平行于z轴的情况下（或在0.01%坡度范围内），该单元的y轴是与整体坐标系的y轴（如图示）平行。用户若想人为控制单元x轴

31、的方向，需定义第3个节点。如果使用了第3节点(k)，则k和i、j一起定义了一个包括单元x轴和y轴的平面 (如图示)。绕管圆周的输入与输出位置定义为：若沿单元y轴，为0度；类似的，沿z轴，为90度。 应力增量系数(sif)影响弯曲应力。若 keyopt(2) = 0，则应力增量系数在i(sifi)节点和j(sifj)节点末端输入；若keyopt(2) = 1，2，或3，则软件按照t形接头自行计算并确定。当sif的值小于1.0时取1.0。挠曲系数(flex)被分为截面的转动惯量中从而生成一个计算弯曲刚度所需的修正转动惯量。flex的缺省直为1.0，但也可以输入任何一个正数。单元的质量可由管壁材料，

32、外部绝缘体和内部流体计算得到。绝缘体和流体决定了单元的质量矩阵。允许侵蚀厚度用来计算应力。一个确定的管壁其质量是一个常数，不用考虑其计算值。一个非零的绝缘体面积是一常数，不用考虑其计算值(有管壁外直径和长度得来)。一个非零的刚度也是一常数，不考虑管的轴向刚度。5.3.3 pipe59单元特性pipe59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。除了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，其余与单元pipe16相似。pipe59还可以模拟缆索单元，和link

33、8相似。这个单元还适合刚度硬化和非线性大应变问题。图5.2 pipe59 单元模型pipe59输入数据： 图5.2给出了单元的几何图形、节点位置及坐标系统。本单元输入数据包括：两个节点，管外径，壁厚以及一些荷载和惯性信息；各向同性材料属性；外部附着物（包括冰荷载和生物附着物）；材料粘滞系数用来计算外部流体的雷诺系数。单元的x 轴方向为i 节点指向j 节点，y 轴方向按平行xy 平面自动计算，其他方向如上图所示。对于单元平行与z 轴的情况（或者斜度在0.01以内），图5.3 波、流作用方向单元的y 轴的方向平行与整体坐标的y 轴（如图5.3）。被认为为0度的单元的外部环境输入或输出沿y 轴分布，

34、就和90度的单元的外部环境输入或输出沿z 轴分布类似。keyopt(1)用来消除抗弯刚度将管单元转换为缆索单元，如果构件存在扭转，就可以用keyopt(1)=2来解决。keyopt(2)可以定义质量矩阵是团聚质量矩阵还是一致质量矩阵，可用于长柔结构，常用来分析带扭转的缆索结构。对于海浪，海流和水密度通过water motion table输入，如果不输入，就不会考虑水的作用。虽然文章中用“水”的不同性质，事实上还可用于其他液体性质描述，不同的曳力系数和温度数据也可以通过此表输入。此外，单元长度不能为0，此外，外径必须大于0，内径不能小于0。水面附近的单元长度相对波浪长度应小。单元的两个端点不能

35、同时处于泥面以下，并且如果积分点位于泥面以下，就会忽略水动力。如果单元位于水平面上，可以不考虑pipe59 water motion table作用。在用缩减法进行瞬态动力分析时，应当注意。因为这种分析会忽略单元上的荷载向量。5.3.4 mass21单元特性mass21 是一个具有六个自由度的点元素： 即 x， y， 和 z 方向的移动和绕 x， y， 和 z 轴的转动。每个方向可以具有不同的质量和转动惯量。图5.4 mass21 单元模型此质点元素由一个单一的节点来定义， 此单元的坐标系统可以平行于全局的笛卡尔坐标系统也可以使用节点坐标系统 (keyopt(2). 在节点坐标系的操作中可以看

36、到对节点坐标系元素的操作讨论。做大偏转（a large deflection analysis）分析时元素坐标系相对于节点坐标系会产生旋转。可以通过keyopt(3)选项来禁止转动惯量的产生或使元素退化为二维形式。 如果一个元素只需一个输入，那末这个输入将运用到其它所有方向。此元素的坐标系显示如上图所示。 使用该单元的假设与限制：质量单元在静态解中无任何效应，除非具有加速度或旋转载荷或惯性解除，如果质量输入具有方向性，则质量仅输出用x方向表示。5.4 建立模型5.4.1 建模准备工作模型桩腿与导管架等效厚度计算：结构模型化的过程中，出于计算简洁和方便建模的目的，利用抗弯刚度等效原理，将桩腿的壁

37、厚等效到外层的导管架上。根据材料力学有：式5.1式中，w为构件的抗弯截面系数式5.2对于管单元，惯性矩为式5.3外径d内径根据静力等效原理，要使得构件的最大应力相同，需有：式5.4即：式5.5在此，设为导管架桩腿导管的外径，为桩腿的外径，由于是将桩腿的壁厚等效到外层的导管架上，即代入上式则有：将代入可得：由式5.6代入构件尺寸有则可得到等效壁厚为 t(13401236.78)/251.6mm5.4.2 建模步骤）创建关键点根据原始图纸，计算初各关键点坐标，并将其输入ansys程序。本平台几何模型共有关键点85个，一些关键点是由ansys程序“preprocessor modeling move

38、/modify keypoints”操作镜像而来。部分关键点坐标如下表所列，由于其数量较多，其余不一一列举。表5.1 部分关键点坐标no.x，y， z location16.7500006.250000-17.0000002-6.7500006.250000-17.0000003-6.750000-6.250000-17.00000046.750000-6.250000-17.00000056.4000005.90000-13.5.0000006-6.4000005.90000-13.50000007-6.400000-5.90000-13.500000086.400000-5.90000-1

39、3.500000096.2500005.750000-12.00000010-6.2500005.750000-12.000000 ）通过关键点创建直线，完成几何模型的建立通过ansys程序“preprocessor modeling create lines lines straight lines”的操作，在相关的关键点之间创建直线，则生成下图。图5.5 平台几何模型）定义材料及单元属性新建单元类型：该模型共包括mass21、pipe16、pipe59、beam188四种单元类型，此操作的菜单路径为“preprocessor element typeadd/edit/delete add

40、select”定义单元实常数：选择菜单路径“ preprocessor real constants add select type * okinput ”，选择需要添加实常数的单元类型。本平台模型共创建了6种单元常量（set 1set 6），各单元常量及其单元属性如下。表5.2 pipe 59及pipe 16实常数输入编号set 2set 3set 5set 6set 7单元类型pipe 59pipe 59pipe 16pipe 59pipe59外径do(m)1.21.341.20.610.4壁厚twall(m)0.030.05160.030.020.02表5.3 pipe 59的其他常数值

41、拖曳力系数cd惯性系数cm附加质量比ci浮力比cb内部流体密度denso1.42111028表5.4 mass 21实常数x方向质量mass-xx方向质量mass-xx方向质量mass-x500005000050000(建模过程中，在四根桩腿顶部各加一个50吨的质量单元，用于模拟总重为200吨的平台上部模块)表5.5 beam 188实常数输入（甲板主梁采用工字梁，建模时选取工字截面）工字梁下翼板宽度w1工字梁上翼板宽度w2工字梁高度w30.30.30.6工字梁下翼板厚度t1工字梁上翼板厚度t2工字梁腹板厚度t30.0250.0250.025）定义材料属性定义材料的弹性模量和泊松比：平台所选用

42、钢材的弹性模量和泊松比分别为2.06×（单位为n/）和0.3，菜单路径 “preprocessor material props material models structural linear elastic isotropic input ex：2.06e11， prxy：0.3 ok”定义材料的密度：钢材的密度为7800kg/，菜单路径为“preprocessor material props material models structural densityinput dens：7800 ok”定义water table：根据所给出的环境条件，创建water table表

43、格。相关参数如下：kwave(波浪理论)2depth（水深）densw（海水密度）w（波向角） 121028 定义海流：z(j)（海流深度）w(j)（海流速度）d(j)（流向角）01.6 定义波浪：a(i)（波高）(i)（周期）(i)（相位角）68.2 其中，为了保守起见，d(j)（流向角）和w（波向角）取同样大小，两者的基线均为x轴正向。water table 相关说明pipe 59单元波浪载荷计算有四种波浪理论（kwave）可供选择，见表5.6：表5-6 波浪理论选项波浪理论选项（kwave）相应的波浪理论0深度衰减经验修正的微幅波理论1airy波理论2stokes五阶波理论3流函数波浪理

44、论）定义重力加速度菜单路径为“solution define loads apply structural inertia gravity global”，在acelz（z向加速度）项中填入9.8。）划分网格把单元类型赋给几何模型对于导管架、桩腿、以及甲板主梁，选择“preprocessor meshing mesh tool(size controls) lines： set ”，拾取相应的线定义属性。对于质量点单元，选择“preprocessor meshing mesh tool(size controls) key pionts： set ”定义属性。选择自由网格划分在“mesh to

45、ol”对话框中，选择复选框smart size，激活其下的滚动条，调整划分网格的精度为“6”。选择“mush”分别对点和线进行网格划分。）施加边界条件菜单路径“solution define loads apply structural displacement on key pionts ”，拾取模型最下面的四点，定义为固支，即ux=uy=uz=rotx=roty=rotz=0.注：模型将桩腿简化为泥面以下6倍桩径固支。最终生成模型如图5.6：图5.6 平台模型第六章 平台结构静力分析6.1 平台位移使用ansys结构分析软件4.5节中各工况进行结构静力分析，由后处理器可输出结构位移和应力。

46、各工况平台最大节点位移见下表，各工况位移图见下。表6.1 各工况下结构最大位移（m）工况主要载荷和作用方向x方向位移y方向位移最大合位移波流工况1） 波流力+风力0°0.12225e-010.27447e-020.12619e-01波流工况2） 波流力+风力90°0.18655e-020.59936e-020.63506e-02海冰工况1）冰流力+风力0°0.31629e-010.14835e-030.31759e-01海冰工况2）冰流力+风力90°0.31108e-010.17644e-020.31298e-01各工况位移图如下：图6.1 波流工况1）

47、位移图图6.2 波流工况2）位移图图6.3 海冰工况1）位移图图6.4 海冰工况2）位移图由以上结论可得：平台顶部的最大水平x位移发生在海冰1工况下，为3.16cm；平台顶部的最大水平y位移发生在波流2工况下，为0.599cm；平台顶部的最大合位移发生在海冰1工况下，为3.17cm；满足结构设计的位移要求。6.2 结构强度校核使用ansys结构分析软件可对平台的各工况进行结构静力分析，后处理器可输出结构位移和应力。各工况平台最大单元应力见下表，各工况应力云图见下。表6.2 各工况平台最大单元应力工况主要载荷和作用方向最大单元应力(pa)波流工况1）波流力+风力0°0.305e+08波

48、流工况2）波流力+风力90°0.222e+08海冰工况1）冰流力+风力0°0.132e+09海冰工况2）冰流力+风力90°0.138e+09图6.5 波流工况1）应力云图图6.6 波流工况2）应力云图图6.7 海冰工况1）应力云图图6.8 海冰工况2）应力云图各工况下部分构件单元应力比如下：表6.3 波流工况1）各构件单元应力比构件名称 型常数单元编号屈服强度(mpa)计算应力(mpa) 应力比导管架导管ø1340×25603153.740.012243156.300.02036931513.880.044193156.120.019桩腿

49、48;1200×30931518.090.057133156.400.020131513.670.0434531518.090.057el+4.00外横撑ø610×201723155.470.0172063155.470.017el-3.00外横撑ø610×2540231515.640.05043631515.640.0503903156.060.0194143153.800.012el-12.00外横撑ø610×201803152.760.0091533151.370.004斜撑ø610×2028031512.770.04127931512.550.0403153152.980.00928431511.430.036el+4.00内横撑ø400×203303154.430.0143223156.380.020el-3.00内横撑ø400×202703153.580.0112733157.550.024 el-12.00内横撑ø400&#