周阳渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计

1、分类号分类号密级密级 UDC 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计学生姓名学生姓名 周阳周阳 学号学号 080112006027080112006027 指导教师指导教师 石湘石湘 院、系、中心院、系、中心 工程学院海洋工程系工程学院海洋工程系 专业年级专业年级 船舶与海洋工程船舶与海洋工程 20062006 级级 论文答辩日期论文答辩日期 20102010 年年 0606 月月 1212 日日 中中 国国 海海 洋洋 大大 学学渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- I -渤海埕岛油田简易

2、三桩腿平台设计摘 要海洋开发中，尤其是对浅海的开发中，各国广泛采用导管架平台。本文以渤海地区锦州油田附近的自然环境条件为设计依据，论述了该环境条件情况下，使用年限为 15 年的某一简易三桩腿平台的设计过程。本文利用目前比较流行的有限元分析软件 ANSYS 进行建模求解。根据所在海域的环境条件计算环境载荷；根据环境载荷，在各个工况下对平台进行动静力分析、地震响应分析、桩基承载力的计算等；根据计算结果不断调整简易平台各个构件的尺寸，最后得到结构合理、造价最少的最终设计方案。同时用 AUTOCAD画出了平台的三视图。关键词：海洋平台设计；导管架；结构强度；ANSYS渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计-

3、II -The Design of Simple three-footed Jacket Platform in an oil field of Shallow Sea Abstract Jacket platform is one of the most popular platform types when exploring oil in the shallow areas of the sea.This paper described the design process of a simple three-footed jacket platform, which will be u

4、sed for 15 years,according to the usage and the environment condition of Jinzhou oil field in Bohai.In this paper, the modeling and solution were carried out under the environment of the finite element software ANSYS, which is more popular at present. After a comparison of several different structur

5、e form of simple ocean platform, the optimum scheme can be determined. The environment load calculation is carried out based on the environmental condition of its sea area. According to The environment load, Analysis including dynamic and static analysis, seismic response analysis, calculation of pi

6、le bearing capacity ,etc ,is performed on the platform under each work condition. After continuously adjusting the size of each component of simple ocean platform according to the calculation result, we can get the final scheme with reasonable structure and lowest cost. At the same time draw the thr

7、ee-view drawings of plotform by AUTOCAD.Key words: offshore platform design; jacket; structural strength ; ANSYS;渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- III -目录第一章 前言1.1 国外海洋工程发展状况 .11.2 我国海洋工程发展现状 .2第二章 环境条件和设计依据2.1 环境条件 .32.2 设计依据 .4第三章 平台主尺度和选型3.1 平台选型 .63.2 平台主尺度 .6第四章 环境条件计算4.1 风载荷 .84.1.1 计算公式 .84.1.2 计算结果 .94.2 冰载荷

8、 .94.2.1 计算公式 .94.2.2 计算结果 .104.3 波浪、流载荷 .104.3.1 计算公式 .104.3.2 计算结果 .114.4 甲板设备载荷 .124.5 工况和载荷组合 .124.5.1 波流工况 .124.5.2 海冰工况 .12第五章 有限元模型的建立5.1 ANSYS 简介 .135.1.1 Beam188 单元特性.135.1.2 Pipe16 单元特性 .145.1.3 Pipe59 单元特性 .155.1.4 Mass21 单元特性.165.2 平台单元分配 .175.3 建模准备工作 .175.4 建模步骤 .18第六章 平台结构静力分析6.1 平台位移

9、 .246.2 结构强度校核 .26第七章 平台结构动力分析渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- IV -7.1 模态分析 .327.2 波浪作用下的平台动力分析 .347.2.1 阻尼系数 、 求解 .347.2.2 动力计算结果 .357.3 冰作用下的平台动力分析.38第八章 地震荷载下平台的响应分析8.1 地震数据的输入及求解方法 .428.2 动力响应结果 .44第九章 桩基承载力计算9.1 轴向承载力计算： .469.1.1 计算公式 .469.1.2 计算结果 .489.2 轴向桩基承载力校核 .50第十章 总结参考文献 .52致谢 .53附录 .54渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计-

10、 1 -第第 1 章章 前言前言随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。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。海上油气开发是一种高风险、高科技的工程项目，在当今国际石油市场竞争激烈的情况下，如何以有限的投资对收益颇小的边际油田进行开发使边际油田的开发取得一定的经济效益是一个值得研究的问题三桩腿简易平台一种适合于海上中小油气田及边际油气田开发的独腿三桩简易平台，在满足生产要求的前提下，大幅度减少了钢材用量，降低了制造成本。我国海洋高科技计划的实施，作为海洋开发基础设施之一的海洋平台结构的研究和建设正受到国内科研机构和产

11、业集团的高度重视。海洋平台是海上石油天然气能源的开发基地。我国海洋平台多是导管架平台。在海洋开发中，尤其是对浅海的开发中，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。 随着计算机技术的发展进步，SAP、ANSYS 等结构分析软件被广泛的应用到平台及导管架的设计和强度

12、计算中，并且发挥了重要的作用。1.1 国外海洋工程发展状况国外海洋工程发展状况世界石油开发的历史已有 200 多年， 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。长期以来，桩基导管架平台是世界海洋石油生产中采用最广泛的一种结构。以墨西哥湾海域的平台发展为例，1978 年建造的“Cognac”钻井平台以极端的飓风载荷控制设计，导管架分三段建造；1981 年水深 285m 的“Cerveza”平台则使用更为先进的整体制造，简化了结构且成本大大降低。而北海的环境条件渤

13、海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 2 -比墨西哥湾还要恶劣很多，海水腐蚀也更为严重，1974 年建造的一座平台，其导管架所有的桩基在四角上，除主桩腿外周围又打入数根环绕桩，以增大抗倾覆能力。1.2 我国海洋工程发展现状我国海洋工程发展现状我国海域辽阔，大陆架面积约有 110 万平方公里，管辖海域近 300 万平方公里。为开发利用海洋，我们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。海洋环境十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震和海啸的威胁。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

14、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。2004 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。本文介绍了浅海 13 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 环境条件和设计依据的确定2

15、平台选型、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 平台静动力强度校核6 地震载荷下强度校核7 桩基承载力计算8. AUTOCAD 制图渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 3 -第二章第二章 环境条件和设计依据环境条件和设计依据2.1 环境条件环境条件设计水深： 13.0 米潮位潮位以渤海平均海平面为基准校核高水位： 4.18 米设计高水位： 3.18 米设计低水位： -3.52 米校核低水位: -5.02 米波浪：波浪：风浪为主，涌浪次之，强浪向 SSW校核高水位最大可能波高： 5.1 米对应波浪周期： 8.2 秒设计高水位最大可能波高： 3.2 米

16、对应波浪周期： 7.8 秒海流：海流：方向：强方向 SSW。表层流速： 136cm/s中层流速： 123cm/s底层流速: 109cm/s风：风：强风向：NNE 风速： 50 年一遇 10 分钟平均风速 31.1m/s 海冰：海冰：设计冰厚（50 年一遇）： 0.467m 抗压强度： 2300kPa腐蚀和磨损：腐蚀和磨损：飞溅区构件腐蚀裕量： 3mm飞溅区定义标高： -2.83m-3.98m冰接触区构件磨损量： 1mm冰接触区标高： -1.14m+1.93m渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 4 -地质资料如表 2.1 所示：表 2.1 地基土壤的物理学特性 2.2 设计依据设计依据 本设计采用

17、渤海 JZ9-3 油田设计水深、工程设计水位；风、浪、流设计方向和极值条件；海冰设计条件。设计水位以渤海平均海平面为准，设计高水位采用重现期 50 年高水位，设计低水位采用重现期 50 年低水位，校核高（低）水位=设计高（低）水位K， K 为常数，取用于海洋工程环境概论一书 132 页表 4.3.6 。本文 K 采用葫芦岛的数值。校核高水位最大可能波高采用 50 年重现期最大波高，设计土壤层号土壤名称深度m有效容重KN/m3设计抗剪切强度C(Kpa)单位桩端承载力（Mpa）1非常软粉质粘土072软粉质粘土4.8-10.98.98-350.073砂质粉砂10.9-15.19.

18、4f=47.8kPaq=1.9MPa0.71-1.024细砂15.1-18.69.9f=81kpq=4.80Mpa2.56-3.255硬粉质粘土118.6-22.99760.686粉质细砂22.9-24.624.6-27.027.0-9.5f=81kpaq=4.80Mpa4.02-4.364.36-4.804.80-4.807细砂29.2-56.49.9f=96kPaq=9.6MPa9.608非常硬粉质粘土56.4-62.59.61201.089粉质细砂62.5-74.110.8f=96kPa，q=9.6MPa9.6010非常硬粉质粘土74.1-94.69.61501.35

19、渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 5 -高水位最大波高采用 50 年重现期有效波高。风速采用 50 年重现期 10 分钟平均风速。飞溅区定义标高的计算：最高天文潮位 - 平均海平面 + X 平均波高32最低天文潮位 - 平均海平面 - X 平均波高31平均波高设计波高(即有效波高）除以 1.500。 （P48 表 3.3.4 P/3=1.500（浅水） ）平台用途和主要功能：本文所设计的导管架平台为浅海单井采油平台，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32D要求，钢材的屈服应力为 31

20、5Mpa，许用应力取 189 Mpa；Q-235-A 钢材的32D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：中国船级社浅海固定平台规范 （2003） 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 6 -第三章第三章 平台主尺度和选型平台主尺度和选型 3.1 平台选型平台选型本文所设计的海洋平台位于渤海辽东湾北部海域内，西距辽宁省锦西市约53km，东北距辽河平原海岸最短距离约 15km。该处水深为 13.0m，该油田为边际油田，若以常规方式开发，则开发价值不大；因此，对该油田的开发必须尝试新思路，这样才能使该油田具有经济效益。该平台是一座单井采油

21、平台。在设计中对平台功能进行了全面简化，为平台的简易化创造了条件。 要设计结构简易的平台，必须具备一定的条件：(1)平台上各种设备要少，质量要轻;(2)甲板面积要小，且容易支撑;(3)井口数量较少，一般少于 6 口;(4)平台不设修井钻井设备，修井钻井作业由移动式钻井平台进行。该平台的钻井、完并和修井，拟采用槽口式自升式钻井船进行，平台上不设修井机，甲板上的设备尽量简化吊机采用小吨位简易吊机。通过设计简化，该平台上部设施质量较轻（200 吨载荷） ，甲板根据使用需要设置为 12m14m 。3.2 平台主尺度平台主尺度此平台采用桩基导管架结构，平台结构由 3 根主桩和上部平台组成。甲板高程的确定

22、：当波浪冲击甲板和设备时，将产生很大的力，而且海水会对甲板上的设施产生很大的破坏。为避免这一点，下甲板的底部应设置在能使设计波浪的计算波峰通过且带有适当的安全裕度的高程上。应使用重现期为100 年的指导性的无方向性波高，以及适用的波浪理论和波陡来计算包括指导性风暴潮在内的风暴水位以上的波峰高程。为了确定下甲板底部梁的最小容许高程，以避免波浪冲击到甲板上，应将至少 1.5m 的安全裕量或空间加到波峰高程上，以考虑平台的沉降、水深的不确定性和极端波浪的可能性。对已知或预期的长期海床沉陷情况，还应增加一定的间隙。最终取 h6.6m。设计要求：平台甲板面积 12m14m，承载能力 200t。 考虑环境

23、条件，决定采用摩擦桩基础三腿导管架平台：渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 7 -平台甲板高程：6.60 m 工作点高程：6.10m导管架尺寸：上部工作点附近处（EL+4.60m）为 8.38m8.43m8.43m中部（EL-4.00m）为 10.5m10.56m10.56m底部（EL-13.00m）为 12.72m12.79m12.79m桩腿导管直径为 120025，斜度为 1/10。导管架设 3 层水平横撑，潮差带不设斜撑，水平横撑尺寸为 55020，斜撑尺寸为 61030。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 1m，则根据 CCS 规范钢管桩壁的最小厚度 t 按下

24、式计算： t=6.35+D/100 mm式中 D桩径，mm则取桩壁厚为 30 mm t=6.35+1000/100=16.35 mm。桩入土深度为 40m，总长为 59.1m。平台甲板采用板、梁结构，面积为 12m14m，甲板板厚为 8mm ，Y 向设 4 根主梁，X 向设 5 根。 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 8 -第四章第四章 环境条件计算环境条件计算本章分别计算风浪流、风冰流两种工况下 X 和 Y 向的各种载荷。4.1 风载荷风载荷4.1.1 计算公式作用于平台上的风载荷按下式计算： （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

25、承受的风压为： （4.2）为基本风压，标准高度为海面上 10m0p（4.3）式中 风压的高度系数；HC构件的形状系数。SC、取值见表 4.1 和表 4.2 HCSC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 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。FpA22010.6132pvvg0HSpC C pPaPa渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计-

26、9 -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 31.1m/s)名称位置ChCsF(kN)作用点M(kNM)工作间6.61133.596.6400.51桩腿6.11 0.50.29676.10横撑4.61 0.51.3664.60横撑4.61 0.50.6834.60桩腿2.81 0.51.9942.80表 4.4 风、浪、流工况下 Y 向风载计算结果：（风速 31.1m/s）名称位置ChCsF(kN)作用点M(kNM)工作间6.61133.596.6-400.51桩腿6.11 0.50.29676.10横撑4.61 0.504.60横撑4.61 0.51.

27、1954.60桩腿2.81 0.51.9942.80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，将甲板上风载等效为一个集中力加一个弯矩，作用于导管架顶部，而甲板以下部分风载荷按照装腿和横撑分别受力并作用在各自的几何中心计算。表格中“位置”均指构件中心距海平面的距离， “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：渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 10 - （4.4）bhRKmKPe21式中：桩柱形状系数，对圆截面柱采用 0.9；m 局部挤压系数；1K 桩柱与冰层的接触系数；2K 桩柱宽度（或直径

28、） ；b 冰层计算厚度。h4.2.2 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：2300kPa；eR由图纸资料：b=1.2m h=0.45m。则单个桩腿所受的冰载荷为：51.20.452300=1305kNP 按不考虑“群桩效应”进行计算。4.3 波浪、流载荷波浪、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fD/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 uDCuuDCfMD2421（4.5）式中： 海水密度，kg/m3 ； 垂直于构

29、件轴线的阻力系数。必要时，应尽量由试验确定。在DC实验资料不足时，对圆形构件可取=0.61.0；DC渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 11 - 惯性力系数，应尽量由试验确定，在实验资料不足时，对圆形MC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uu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u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件轴线的加速度分量，m/s2。u 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：Df N/m （4.6）221CDDAUCf式中： 阻力系数； DC 海水密度，kg/

30、m3； 设计海流速度，m/s；CU 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积，m2/m。A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（H/d0.2） ，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：（4.7）511cos()niy

31、nk渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 12 -迭代求 L、方程为：（4.8）其中为深水波长0L（4.9）速度势方程为：（4.10）相位角为： （4.11）波形系数： 速度势函数：其中 、为系数。iiAiiBiiC4.4 甲板设备载荷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3 个各 66.7 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。2s4.5 工况和载荷组合工况和载荷组合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353

32、33555241201/()(1)HBBBdd Lddth kdCCLL 51()sin()niLch nk ydnkTkxt12422224353333544445555yyBByBByByB2411113152222224323333544445555()()()AAAAAAAyAyA202gTL渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 13 -2）Y 方向上（90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+甲板设备重渤海埕岛油田简易三桩腿平台

33、设计- 14 -第五章第五章 有限元模型的建立有限元模型的建立本章针对所选平台方案进行有限元模型的建立，为进一步计算平台的静力分析、动力分析等做准备工作。本设计采用世界大型通用有限元分析软件ANSYS 进行建模及各项分析，本章分为三大部分：ANSYS 简介，建模准备工作，建模步骤等。5.1 ANSYS 简介简介ANSYS 是世界上著名的大型通用有限元分析软件，是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 公司开发，能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。它融结构、热、流体、电磁、声学分析于一体，广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、

34、造船、航空航天、汽车交通、土木工程、水利、铁道等各种工业设计和科学研究。ANSYS 软件主要包括三部分：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，可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力分析、电磁分析、声场分析，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、梯度显示等多种图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS 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。下面对本文在计算中使用的单元类型作简要介绍。5.1.1 Beam188

35、 单元特性BEAM188 适用于分析细长的梁。具有扭切变形效果。BEAM188 是一个二节点的三维线性梁。在每个节点上有 6 或 7 个自由度，自由度数目的变化是由 KEYOPT(1)来控制的。当 KEYOPT(1) = 0 时 (默认)，每节点有 6 个自由度。 分别是沿 x，y，z 的位移及绕其的转动。 当 KEYOPT(1) = 1 时,会添加第七个自由度 (翘曲量) 。此种单元能很好的应用于线性分析，大偏转，大应力的非线性分析。BEAM188 包含应力刚度，在默认情况下，在某些分析中由 NLGEOM 来打开。 在进行弯曲（ flexural） ，侧向弯曲（ lateral） ， 和扭转

36、稳渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 15 -定性（torsional stability）分析时，应力刚度应该是被打开的。 BEAM188 能够采用 SECTYPE，SECDATA，SECOFFSET，SECWRITE 和 SECREAD 来定义任何截面（形状） 。弹性（elasticity） ，蠕变（creep） ，和塑性（plasticity） 模型都是允许的 (不考虑次截面形状)。图 5.1 BEAM188 3-D 线性有限应变梁5.1.2 Pipe16 单元特性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

37、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 5.2 Pipe16 的几何形状PIPE16 几何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) 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)， 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 16 -管壁质量(MWALL)，管的轴向刚度(STIFF)，基于转子动力学的自

38、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 2.4 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。若想人为控制单元 X 轴的方向，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。 单元的质量可

39、由管壁材料，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。5.1.3 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，单元质量包括附加水质量和内部水质量，其余与单元 pipe16 相似。pipe59

40、还可以模拟缆索单元，和 link8 相似。这个单元还适合刚度硬化和非线性大应变问题。图 5.3 Pipe59 单元模型图pipe59 输入数据： 上图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：渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 17 -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） ，单元的 Y 轴的方向平行与整体坐标的

41、 Y 轴（如图） 。被认为为 0 度的单元的外部环境输入或输出沿 Y 轴分布，就和 90 度的单元的外部环境输入或输出沿 Z 轴分布类似。 图 5.4 Pipe59 单元外载荷参数方向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，可用于细长结构，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，不同的曳力系数和温度数据也可以通过此表输入。5.1.4 Mass21 单元特性Mas

42、s21 单元有 6 个自由度，三个方向的平动和转动，不同方向的质量和惯性矩可被赋予到相应的坐标方向进行计算。Mass21 的位置一般会位于被简化区域的质心处，可以采用刚性单元连接分析结构的相接部位，典型的有rbe2,rbe3。rbe2 可以节点与节点相连，rbe3 一般是节点与边的连接方式。rbe2 是通过耦合位移自由度的方式传递载荷，rbe3（均方加权刚性单元）根据质量单元与相连接边上节点位置自动分配载荷给相关的节点。渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 18 -5.2 平台单元分配平台单元分配对于平台的不同部位与结构形式，我们用不同的单元类型来建模，具体的分配如表 5-1 所示：表 5.1 平

43、台单元分配单元类型导管架平台结构Beam188甲板工字钢Pipe16泥面以下导管架构件Pipe59泥面以上导管架构件Mass21平台甲板以上部分惯性质量5.3 建模准备工作建模准备工作 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，将桩腿的壁厚等效到外层的导管架上。根据材料力学有：（5.1）式中，W 为构件的抗弯截面系数（5.2）对于管单元，惯性矩为zI（5.3）外径Dd内径根据静力等效原理，要使得构件的最大应力相同，需有：（5.4）即：（5.5）maxmaxMWmaxzIWR4464zIDd23WWW32maxmax2max3zzzII

44、IRRR渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 19 -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max2Rmax3R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2DD（5.6）代入构件尺寸有 d4=11504-（10004-9604）=1.568101210001200 d=1119.1mm则可得到等效壁厚为 t(1200-1119.1)/240.5mm5.4 建模步骤建模步骤）创建关键点根据原始图纸，计算出各关键点坐标，并将其输入 ANSYS 程序。本平台几何模型共有关键点 53 个，一些关键点是由 ANSYS 程序“Preprocessor Modeling Mo

45、ve/Modify Keypoints”操作镜像而来。部分关键点坐标如表 5.2 所列，由于其数量较多，其余不一一列举。表 5.2 部分关键点坐标NO.X，Y， Z LOCATION1706.62046.630-46.6maxmax2RRmax23max3zzzRIIIR444444max22233max3RDdDdDdR4444max2233max3RddDdR4464zIDd渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 20 -4706.15046.160-46.1711.160-238-2.08-7.60-239-2.087.60-23 199.730-13 20-1.36-6.36-1321-1.

46、366.36-13 ）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：渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 21 -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 select”定义单元实常数：选择菜单路径“ Preproc

47、essor 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 7 种单元常量（Set 1Set 7） ，各单元常量及其单元属性如下：表 5.3 Pipe 59 及 pipe 16 实常数输入编号Set 1Set 2Set 3Set 4Set 5Set 6Set 7单元类型Pipe 59Pipe 59Pipe59Pipe 59Pipe 16Pipe 16Pipe 59外径DO(m)1.210.550.3511.20.61壁厚TWALL(m)0.04050.030.020.020.030.04050.03表

48、 5.4 Pipe 59 的其他常数值拖曳力系数CD惯性系数CM附加质量比CI浮力比CB内部流体密度DENSO(kg/m3)1.4211表 5.5 Mass 21 实常数X 方向质量 MASS-X (kg)Y 方向质量 MASS-Y (kg)Z 方向质量 MASS-Z (kg)666676666766667(建模过程中，在三根桩腿顶部各加一个 66.7 吨的 Mass21 质量单元，用于模拟总重为 200 吨的平台上部模块)表 5.6 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 W3渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计

49、- 22 -0.3m0.3m0.6m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 t30.025m0.025m0.025m 表 5.7 Beam 188 实常数输入(甲板次梁采用工字梁，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 W30.2m0.2m0.5m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 t30.02m0.02m0.02m）定义材料属性定义材料的弹性模量和泊松比：平台所选用钢材的弹性模量和泊松比分别为 2.06（单位为 N/）和11100.3，菜单路径 “Preprocessor Material Props Mater

50、ial 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 3mMaterial Models Structural Densityinput DENS：7800 OK”定义 water table：根据所给出的环境条件，创建 water table 表格。相关参数如下：KWAVE(波浪理论)2DEPTH（水深）DENSW（海水密度）w（波向角）131028 定义海流：Z(j)（海流深度

51、m）W(j)（海流速度 m/s）d(j)（流向角）01.36渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 23 -6.51.23-131.09 定义波浪：A(i)（波高）(i)（周期）(i)（相位角）5.18.2 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5.7：表 5.8 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流函数波浪理论）定义重力加速度菜单路径为“Solu

52、tion 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。选择自由网格划分渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 24 -在“

53、Mesh Tool”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“mesh”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 ” ，拾取模型最下面的三点，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 8 倍桩径固支。最终生成模型如图 5.6：图 5.6 平台有限元模型渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 25 -第六章第六章 平台结构静力分析平台结构静力分析本章对平台

54、的整体结构进行静力分析，采用 ANSYS 有限元软件对平台在波流工况（） 、波流工况（） 、海冰工况（）以及海冰工况（）下的平台的位移变化情况和静力分布情况进行分析。6.1 平台位移平台位移使用 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。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工况主要载荷和作用方向X 方向位移（cm）Y 方向位移(cm)合位移(cm)波流工况(1）波流力+风力 01.620.111.74波流工况(2）波流力+风力 900.560.981.67海冰工况(1）冰流力+风力 07.920.1

55、97.94海冰工况(2）冰流力+风力 900.208.258.64各工况位移图如下：渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 26 -图 6.1 波流工况(1）位移图图 6.2 波流工况(2）位移图图 6.3 海冰工况（1）位移图渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 27 -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 位移发生在海冰工况（2）下，为 0.20cm；平台顶部的最大水平 Y 位移发生在海冰工况（2）下，为 8.24cm；平台顶部的最大水平合位移发生在海冰工况（2）下，为 8.64cm。6.2 结构强度校核结构强度校核使用 ANSYS 结构分析软件可对平台的各工况进行

56、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(MPa)波流工况（1）波流力+风力 031波流工况（2）波流力+风力 9032海冰工况（1）冰流力+风力 0135渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 28 -海冰工况（2）冰流力+风力 90152图 6.5 波流工况(1）应力云图31MPa32MPa渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 29 -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152MPa135MPa渤海埕岛油田简易三桩

57、腿平台设计- 30 -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74231522.9810.073 75131529.3310.093 752315 30.7620.098 导管架导管12002586231523.7560.075 82131549.3990.157 82231554.3380.173 82831532.8580.104 桩腿10003083431531.2490.099 91531520.3190.065 EL+4.60 横撑5502092031521.0000.067 7113

58、1512.1310.039 EL-4.00 横撑5502071431517.9630.057 65931511.0240.035 EL-13.00 横撑5502067931519.4560.062 68031521.6850.069 88331521.5200.068 88431526.8210.085 斜撑6103089331516.8380.053 表 6.4 波流工况(2）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74231510.1380.032 75131513.6900.043 75231514.3500.046 导管架导管12002586

59、231513.5840.043 82131518.0970.057 82231519.6370.062 82831515.8830.050 桩腿10003083431526.6010.084 91531511.0320.035 EL+4.60 横撑550209203159.04810.029 7113156.54200.021 EL-4.00 横撑550207143154.12380.013 EL-13.00 横撑550206593155.05560.016 渤海埕岛油田简易三桩腿平台设计- 31 -6793153.00130.010 6803153.76840.012 8833156.575

60、30.021 8843159.75320.031 斜撑610308933157.18850.023 表 6.5 海冰工况(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742315116.880.371 751315116.550.370 752315126.380.401 导管架导管120025862315119.840.380 821315211.710.672 822315234.930.746 828315168.070.534 桩腿100030834315155.670.494 91531586.4250.274 EL+4.60 横撑5502