第六章 导管架设计

1、海洋工程钢结构设计海洋工程钢结构设计 机电工程学院机电工程学院主讲教师：马海峰邮箱：电话第六六章章第六章第六章 导管架设计导管架设计第一节设计依据及设计内容第一节设计依据及设计内容第二第二节设计计算模型节设计计算模型第三节第三节设计计算刚度矩阵设计计算刚度矩阵第四节杆件端点的变位和受力第四节杆件端点的变位和受力第五节导管架构件强度校核第五节导管架构件强度校核第一节设计依据及设计内容第一节设计依据及设计内容一、设计导管架的基本依据一、设计导管架的基本依据1、水深、水深深水中波浪对导管架引起的动力效应十分敏感。受场深水中波浪对导管架引起的动力效应十分敏感。受场地、吊装设备

2、、下水驳船尺度限制，受倾覆力矩更大。地、吊装设备、下水驳船尺度限制，受倾覆力矩更大。2、海洋环境、海洋环境海洋环境是决定导管架的关键因素。海洋环境是决定导管架的关键因素。3、甲板空间、甲板空间导管架顶部的平台尺度由甲板支撑结构的腿柱数目和导管架顶部的平台尺度由甲板支撑结构的腿柱数目和间距控制，选择导管架顶部平面尺度一定要与甲板结构支间距控制，选择导管架顶部平面尺度一定要与甲板结构支撑的形式相适应。撑的形式相适应。4、施工场地与施工设备、施工场地与施工设备5海上安装大型装备船 名类型起重机型式最大起（载）重量铺管能力蓝 疆起重铺管船全旋转3800吨4.5”-48”滨海109起重铺管船全旋转 31

3、8吨4.5”-60”滨海106起重铺管船全旋转200吨4”-30”滨海108起重船全旋转900吨滨海105起重船全旋转200吨滨海102起重船固定箱型扒杆500吨海洋石油221号8000T导管架下水驳船载重量29300吨滨海308半潜式驳船载重量15550吨滨海307工程驳船载重量2000吨滨海306工程驳船载重量2000吨滨海261三用工作船载重量1170吨“蓝鲸蓝鲸”号号7500吨级全回转起吊吨级全回转起吊，归属于中海油，由上海振华港，归属于中海油，由上海振华港机建造，这是目前世界最大的单机建造，这是目前世界最大的单臂起吊船。臂起吊船。全长全长241米，宽米，宽50米，米，型深型深20.4

4、米，是目前单臂起重能米，是目前单臂起重能力最大的起重船。总重力最大的起重船。总重64110吨，起重吊梁高吨，起重吊梁高98.1米，最大起米，最大起重能力重能力7500吨。它既可以将吊具深入水下吨。它既可以将吊具深入水下150米米,又可以将重又可以将重物提升到水上物提升到水上125米。最高点米。最高点130米，相当于米，相当于40多层楼高，最多层楼高，最高起重高度可达高起重高度可达110米；整个浮吊船可同时容纳米；整个浮吊船可同时容纳300人食宿作人食宿作业，并设有直升机停机坪，自航速度达到业，并设有直升机停机坪，自航速度达到11个节级。它的一个节级。它的一大特点就是起重臂可以放倒或旋转大特点就

5、是起重臂可以放倒或旋转,十分灵活。十分灵活。海上起重船舶海上起重船舶海上安装船舶及设备蓝疆号最大起重能力：3800吨BH108最大起重能力：900吨海上运输驳船海上运输驳船海上安装船舶及设备BH308最大载重能力：15500吨BH306/307最大载重能力：2000吨海上运输海上运输/ /下水驳船下水驳船海上安装船舶及设备海洋石油221最大载重能力：29300吨最大下水能力：8000吨其它海上施工设备其它海上施工设备海上安装船舶及设备灌浆机打桩锤ROV挖沟机1960 Hercules Crane (on Global Adventurer) 250 mT. 1969 Challenger 72

6、5 mT. 1972 Champion 1,135 mT. 1974 Thor 1,800 mT. 1976 Odin 2,722 mT. 1984 Balder 6,350 mT. 1985 Hermod 8,165 mT. 1989 DB 102 12,000 mT. 2000 Thialf (ex DB 102) 14,200 mT. 平台海上安装平台海上安装方式主要取决方式主要取决于浮吊能力于浮吊能力国外浮吊能力的发展国外浮吊能力的发展国外浮吊能力的发展国外浮吊能力的发展世界最大的组块吊装世界最大的组块吊装- -1305013050吨吨世界最大的导管架世界最大的导管架BULLWINKL

7、EBULLWINKLE（SHELLSHELL），），水深水深4 41212米，重量米，重量4937549375吨吨导管架和组块装船挂扣启动拖拉上船分吊装和滑移两种方式导管架和组块装船陆地吊装装船导管架和组块运输浮运驳运导管架和组块下水分吊装下水和滑移下水两种方式滑移下水吊装下水导管架扶正座底导管架调平、打桩、灌浆起桩插桩打桩美国石油协会标准美国石油协会标准- -API API 美国钢结构协会标准美国钢结构协会标准- -AISCAISC美国焊接协会标准美国焊接协会标准- -AWSAWS美国船级社标准美国船级社标准- -ABSABS挪威船级社标准挪威船级社标准- -DNVDNV中国船级社标准中国船

8、级社标准- -CCSCCS中国石油天然气行业标准等同采用APIRP2A作为海上固定平台设计、建造和安装的推荐标准，标准号为：SY/T10030-2000设计标准设计标准设计标准二、导管架结构的设计内容二、导管架结构的设计内容导管架主导管架主结构型结构型式的设计式的设计导管腿柱直径与斜度设计导管腿柱直径与斜度设计支撑布置设计支撑布置设计导管架结构受力分析导管架结构受力分析构件尺寸确定构件尺寸确定动力分析和疲劳分析动力分析和疲劳分析设计软件设计软件 SACS-SACS-平台结构计算分析软件平台结构计算分析软件- -美国美国EDIEDI公司；公司； MOSES-MOSES-浮体稳性、运动响应分析软件

9、浮体稳性、运动响应分析软件- -美国美国ULTRAMARINEULTRAMARINE公司；公司； SESAM-SESAM-大型海洋工程计算分析软件包大型海洋工程计算分析软件包- -挪威船级社挪威船级社 ANSYS-ANSYS-通用有限元分析软件通用有限元分析软件海洋海洋平台设计平台设计风力风力波流力波流力浮力浮力冰作用力冰作用力地震惯性地震惯性力力环境力和固定荷载分析环境力和固定荷载分析结构自重结构自重设备重量设备重量海生物重量海生物重量储液重量储液重量活荷载活荷载环境力环境力固定荷载固定荷载海洋海洋平台设计平台设计正常操作环境条件分析正常操作环境条件分析极端风暴环境条件分析极端风暴环境条件分

10、析海冰环境条件分析海冰环境条件分析疲劳环境条件分析疲劳环境条件分析地震条件分析地震条件分析平台结构整体计算平台结构整体计算- -在位分析在位分析海洋海洋平台设计平台设计装船分析装船分析运输分析运输分析吊装分析吊装分析滑移下水分析滑移下水分析漂浮扶正分析漂浮扶正分析座底稳性分析座底稳性分析平台结构整体计算平台结构整体计算- -施工分析施工分析海洋海洋平台设计平台设计复杂节点有限元分析复杂节点有限元分析船舶碰撞分析船舶碰撞分析波浪拍击分析波浪拍击分析涡激振动分析涡激振动分析吊点分析吊点分析桩自由站立分析桩自由站立分析桩可打入性分析桩可打入性分析灌浆联结强度分析灌浆联结强度分析等等等等局部强度计算分

11、析局部强度计算分析船舶碰撞分析船舶碰撞分析吊点有限元分析吊点有限元分析第二节设计计算模型第二节设计计算模型l整体分析计算模型整体分析计算模型l分部分析计算模型分部分析计算模型一、整体分析计算模型一、整体分析计算模型把导管架和桩视为一个整体，建把导管架和桩视为一个整体，建立三维空间框架的计算模型。立三维空间框架的计算模型。确定计算模型时，对结构总体刚确定计算模型时，对结构总体刚度有重大影响的一切构件均应予以度有重大影响的一切构件均应予以考虑。凡杆件交叉点、集中载荷作考虑。凡杆件交叉点、集中载荷作用点、杆件横截面特性变化点、桩用点、杆件横截面特性变化点、桩与设计泥面的交接点，每个节点均与设计泥面的

12、交接点，每个节点均应设为节点。应设为节点。泥面以下设置多个节点，每个节泥面以下设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，点处设置两个垂直于桩身的弹簧，彼此也相互垂直，以代替桩土相互彼此也相互垂直，以代替桩土相互作用。作用。该种方法一般用于深水。该种方法一般用于深水。二、分部分析计算模型二、分部分析计算模型这种方法把导管架与桩基在这种方法把导管架与桩基在泥面处分开，对泥面以上的导泥面处分开，对泥面以上的导管架和泥面以下的桩基分别建管架和泥面以下的桩基分别建立计算模型。立计算模型。泥面以上部分是具有基桩支泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构，节点设置座的空间杆系结构，节点设置的原则与整

13、体计算模型相同，的原则与整体计算模型相同，泥面以下是埋藏于土中的桩。泥面以下是埋藏于土中的桩。第一种模型节点数目较多计第一种模型节点数目较多计算工作量大。推荐使用第二种算工作量大。推荐使用第二种计算模型。计算模型。第三节设计计算刚度矩阵第三节设计计算刚度矩阵一、桩基刚度矩阵一、桩基刚度矩阵二、空间杆件刚度矩阵二、空间杆件刚度矩阵有限元分法有限元分法是利用数学近似的方法对真实物理系是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限

14、未知量的真实系统。的未知量去逼近无限未知量的真实系统。定义定义历史典故历史典故 结构分析的有限元方法是由一批学术界和工业界的研究结构分析的有限元方法是由一批学术界和工业界的研究者在二十世纪五十年代到二十世纪六十年代创立的。者在二十世纪五十年代到二十世纪六十年代创立的。 有限元分析理论已有有限元分析理论已有100100多年的历史，是悬索桥和蒸汽锅多年的历史，是悬索桥和蒸汽锅炉进行手算评核的基础炉进行手算评核的基础。 几何体几何体 载荷载荷 物理系统物理系统结构结构热热电磁电磁真实系统真实系统有限元模型有限元模型 有限元模型有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象是真实系统理想化的数学抽象。定义定义

15、自由度自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性用于描述一个物理场的响应特性。结构结构 DOFs 结构结构 位移位移 热热 温度温度 电电 电位电位 流体流体 压力压力 磁磁 磁位磁位 方向方向 自由度自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ节点节点: 空间中的坐标位置，具有一空间中的坐标位置，具有一定自由度和定自由度和存在相互存在相互物理作用物理作用。单元单元: 一组节点自由度间相互作用的一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵阵)。单元有线、面或实体以及二维。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。或三维的单元等种类。有限元

16、模型由一些简单形状的有限元模型由一些简单形状的单元单元组成，组成，单元之间通过单元之间通过节点节点连接，并承受一定连接，并承受一定载荷载荷。载荷载荷载荷载荷l 每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。l 作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。l 尽管梯子的有限元模型低于尽管梯子的有限元模型低于100100个方程（即个方程（即“自由度自由度”），然而在今天一个小的），然而在今天一个小的 ANSYSANSYS分析就可能有分析就可能有50005000个未知量，矩阵可能有个未知量，矩阵可能有2525，00

17、0000，000000个刚度系数。个刚度系数。历史典故历史典故早期早期 ANSYSANSYS是随计算机硬件而发展壮大的。是随计算机硬件而发展壮大的。ANSYSANSYS最早是在最早是在19701970年发布的，年发布的，运行在价格为运行在价格为1 1，000000，000000的的CDCCDC、由、由UnivacUnivac和和IBMIBM生产的计算机上，它生产的计算机上，它们的处理能力远远落后于今天的们的处理能力远远落后于今天的PCPC机。一台奔腾机。一台奔腾PCPC机在几分钟内可求解机在几分钟内可求解5000500050005000的矩阵系统，而过去则需要几天时间。的矩阵系统，而过去则需要

18、几天时间。信息是通过单元之间的公共节点传递的。信息是通过单元之间的公共节点传递的。分离但节点重叠的单元分离但节点重叠的单元A和和B之间没有信息传递之间没有信息传递（需进行节点合并处理）（需进行节点合并处理）具有公共节点的单元具有公共节点的单元之间存在信息传递之间存在信息传递 .AB.AB.1 node2 nodes节点自由度是随连接该节点节点自由度是随连接该节点 单元类型单元类型 变化的。变化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三维杆单元三维杆单元 (铰接铰接)UX, UY, UZ三维梁单元三维梁单元二维或轴对称实体单元二维或轴对称实体单元UX, UY三维四边形壳单元三维四边形壳单元UX

19、, UY, UZ,三维实体热单元三维实体热单元TEMPJPOMNKJIL三维实体结构单元三维实体结构单元ROTX, ROTY, ROTZROTX, ROTY, ROTZUX, UY, UZ,UX, UY, UZFEAFEA仅仅求解节点处的仅仅求解节点处的DOFDOF值。值。单元单元形函数形函数是一种数学函数，规定了从节点是一种数学函数，规定了从节点DOFDOF值到单值到单元内所有点处元内所有点处DOFDOF值的计算方法。值的计算方法。因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形形状状”。单元形函数描述的是给定单元的一种单元形函数描述的是给定单元的

20、一种假定假定的特性。的特性。单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。精度。真实的二次曲线真实的二次曲线.节点节点单元单元 二次曲线的线性近二次曲线的线性近 (不理想结果不理想结果).2节点节点单元单元 DOF值二次分布值二次分布.1节点节点 单元单元 线性近似线性近似(更理想的结果更理想的结果)真实的二次曲线真实的二次曲线. . . .3节点节点单元单元二次近似二次近似 (接近于真实的二次近似拟合接近于真实的二次近似拟合) (最理想结果最理想结果).4遵循遵循: DOFDOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实值可以精确或不太精

21、确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。这些平均意义上的典型解是从单元这些平均意义上的典型解是从单元 DOFDOF推导推导出来出来的（如，结构应力，热梯度）。的（如，结构应力，热梯度）。如果单元形函数不能精确描述单元内部的如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFDOF，就，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。通过单元形函数推导出来的。遵循原则遵循原则: 当选择了某种单元类型时，也就十分确定地当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并选择并接受接受该种

22、单元类型所假定的单元形函该种单元类型所假定的单元形函数。数。在选定单元类型并随之确定了形函数的情况在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有下，必须确保分析时有足够足够数量的单元和节数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。点来精确描述所要求解的问题。位移法：位移法：以节点位移为基本未知量；以节点位移为基本未知量；力力 法：法：以节点力为基本未知量；以节点力为基本未知量；混合法：混合法：一部分以节点位移为基本未知量，一部分以节点位移为基本未知量， 一部分以节一部分以节点力为基本未知量。点力为基本未知量。对弹性区域离散化对弹性区域离散化将单元内任一节点将单元内任一节点位移通过函数

23、表达位移通过函数表达（位移函数）（位移函数）建立单元方程建立单元方程进行单元集成，进行单元集成，在节点上加外载荷力在节点上加外载荷力引入位移边界条件引入位移边界条件进行求解进行求解求解得到节点位移求解得到节点位移根据弹性力学公式得到单元应变、应力根据弹性力学公式得到单元应变、应力niiiyeeeFkFK1. 结构离散；结构离散；2. 单元分析单元分析 a. 建立位移函数建立位移函数 b. 建立单元刚度方程建立单元刚度方程 c. 计算等效节点力计算等效节点力3. 进行单元集成；进行单元集成；4. 得到节点位移；得到节点位移；5. 根据弹性力学公式计算单元应变、应力。根据弹性力学公式计算单元应变、

24、应力。1. 位移和应变之间的几何关系（几何变形方程）位移和应变之间的几何关系（几何变形方程）位移分量矩阵表达式：位移分量矩阵表达式： Twvuwvu应变分量矩阵表达式：应变分量矩阵表达式： Tzxyzxyzyxzxyzxyzyx应变分量与位移分量之间的关系：应变分量与位移分量之间的关系： zuxuywxuxvyuzwyvxuzxyzxyzyx剪应变与正应变之间的关系（平面问题）：剪应变与正应变之间的关系（平面问题）： 222222222xyyvxxuyyxyxxy剪应变与正应变之间的关系（三维问题）：剪应变与正应变之间的关系（三维问题）： zyxxzyxyzxyzx222. 应变和应力之间的弹

25、性方程（材料的物理方程）应变和应力之间的弹性方程（材料的物理方程）应力分量矩阵表达式：应力分量矩阵表达式： 应变和应力的关系：应变和应力的关系： TzxyzxyzyxzxyzxyzyxExxExxzyG2. 应变和应力之间的弹性方程（材料的物理方程）应变和应力之间的弹性方程（材料的物理方程）剪切弹性模量和弹性模量之间的关系：剪切弹性模量和弹性模量之间的关系： 12EG2. 应变和应力之间的弹性方程（材料的物理方程）应变和应力之间的弹性方程（材料的物理方程）应变和应力的相互换算：应变和应力的相互换算： zxzxyzyzxyxyyxzzzxyyzyxxGGGEEE1111113. 应力与外力之间的

26、平衡方程（力的平衡方程）应力与外力之间的平衡方程（力的平衡方程）力的分类：体积力（内力）、表面力（外力）力的分类：体积力（内力）、表面力（外力） 体积力：重力、离心力、惯性力等体积力：重力、离心力、惯性力等 表面力：外载荷、流体静压力等表面力：外载荷、流体静压力等根据力的平衡条件根据力的平衡条件： 000zzyzxzzyzyyxyyxzxyxxxpzyxFpzyxFpzyxF3. 应力与外力之间的平衡方程（力的平衡方程）应力与外力之间的平衡方程（力的平衡方程）根据合力矩为零的平衡条件根据合力矩为零的平衡条件：（作用在单元体上的力对：（作用在单元体上的力对x、y、z轴取矩）轴取矩） zyyzzx

27、xzyxxy离散化离散化单元分析单元分析整体分析整体分析支撑条件的引入支撑条件的引入非节点载荷的处理非节点载荷的处理解方程解方程.M1.M2M3连续梁铰接点作用有力矩载荷，求连续梁的内力。连续梁铰接点作用有力矩载荷，求连续梁的内力。问题问题连续梁铰接点作用有力矩载荷，求连续梁的内力。连续梁铰接点作用有力矩载荷，求连续梁的内力。离散化离散化.M1.M2M3单元单元1单元单元2节点节点1节点节点2节点节点3取出一个单元，进行分析，求出单元转角。取出一个单元，进行分析，求出单元转角。最终求出单元的刚度矩阵。最终求出单元的刚度矩阵。单元分析单元分析eim.ijejmeiej单元单元e单元分析单元分析a. 只有只有i点受到作用力矩，求单元转角点受到作用力矩，求单元转角eim.ijeiieji单元单元eejm单元分析单元分析.ijejiejj单元单元eb. 只有只有j点受到作用力矩，求单元转角点受到作用力矩，求单元转角单元分析单元分析c. 刚度矩阵的意义刚度矩阵的意义1ei1ejjjji