海洋平台整体结构强度三维有限元分析.pdf

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1、上海交通大学 硕士学位论文 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 姓名：罗宏志 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构设计制造 指导教师：肖熙;曹耀峰 2001.2.1 海洋s 卜台整体结构强度三维有限儿分析 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 摘要 f 海洋平台作为典型的海洋工程结构物，由于恶劣的工作环境以及本身 、 的结构复杂性，如何对其进行整体结构强度分析，细致而又准确地反映 出结构的细节问题是摆在人们面前的一个重大课题，而整体结构的三维 力学模型又是分析工作的成败关键。出现于6 0 年代的有限元法是基于变 分原理的把连续体离散化的数值解法，借助于电子计算机计算，现已成 、 为复杂结构形

2、式及复杂载荷及边界条件的重要方法一了一 本论文以埕岛中心二号导管架生产平台为例，运用M S C N A S T R A N ( V 7 0 ) 软件系统，建立了平台整体结构三维有限元的板梁模型，计算出在设计 工况、校核工况和冰工况下平台结构的详细变形和应力分布结果。根据 结果，对相似平台的设计、建造和使用提出了建议， 本论文详细地阐述了进行遵注垩佥整体结构强度分析的全过程及方 法，对M S c N A S T R A N ( V 7 0 ) 的三维有限元计算模块进行了分析和探讨，具 有一定的创新意义和参考价值。 关键词：整体结构强度分析，三维有限元板梁模型，N A S T R A N ( V

3、7 0 ) 中心平台 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 A B S T R A C T I ti Sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h ew h o l es t r u c t u r a lS t r e n g t h a n dt od e s c r i b et h em e c h a n i e a ld e t a i i so ft h eo c e a np l a t f o r mt h a t - i so n eo ft h et y p i c a lo c e a ne n g i n e e r i n

4、gs t r u c t u r e s ，b e c a u s eo f i t s s p e c i a l s t r u c t u r a l c o m p l e x i t y a n d t o u g hw o r k e n v i r o n m e n t D u r i n g t h i Sp r o c e d u r e ，t h ek e yc o u r s ei Sh o wt oe r e c tag o o d3 D F E Mo ft h ew h 0 1 es t r u c t u r e A sa ne x a m p l e ，c a

5、l c u l a t i o no faj a c k e tp l a t f o r mi Si n t r o d u c e d i nt h iSp a p e r W it ht h eM S C N A S T R A N ( V 7 0 )s o f t w a r e ，a p l a n e g i r d e r 3 DF E Mo ft h ew h o l es t r u c t u r ei se s t a b l i s h e d T h e na c c o r d i n gt o s e v e r a ll o a dc a s e s ，t h

6、es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nr e s u l t so fw h o l e s t r u c t u r ea r eo b t a i n e d I nt h i S p a p e r ，t h ee n t i r ep r o c e d u r ea n dm e t h o do ft h ew h o l e s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n a l y s i So ft h eo c e a np l a t f o r mi Sd i s c u s s e d i nd e

7、t a i l S 强W O R D S ：w h o l es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n a l y s i S p l a n e g i r d e r3 D F E M ，N A S T R A N ( V 7 0 ) ，M U L T I P L EP L A T F O R M 2 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 1 1 引言 第一章概述 近数十年来，由于海上油、气资源的不断发现，世界各国的海洋石油勘探开展技术发展迅 速，从事作业的水深不断增加。 埕岛中心二号平台位于渤海湾西南部海域，在C B 2 5 A 井组附近，离岸约1 2 k

8、 m 。它是一艘集、 注、储、输为一体的中心站综合平台群。实际上中心平台分为四大功能模块( 子平台) ：即生活 平台、动力及注水平台、油气及水处理平台和储罐平台。 该平台利用原日本进口的人工岛旧导管架修改而成。中心平台由导管架、桩腿和上部组块 三大部分组成，结构型式为四腿非灌浆腿导管架结构，桩腿与导管架之间仅在桩顶通过联接部件 连接。在导管架内壁有四处设置导向装置。 1 2 研究现状 自六十年代有限元理论干疗法出现以来，就一直是_ L = 程结构强度分析的最有效工具。但是 由于计算机速度的限制，对于一螳人型复杂一t 程结构物的分析设计，有限元计算需要花费大量的 时间。人们于是转而提出一些简化理

9、论，对结构采取某种程度的简化减少建模的单元节点数量， 来近似得到分析结果，以节省有限的计算资源。如T i m o s h e n k o 和G o o d i e r 提出的船体梁理论， 就是应用应力合成的方法，将构件的内力氛围总弯曲应力和板梁弯曲应力，分别计算后再进行合 成。为了寻求一种非线性极限强度分析的有效方法，R A S H E D 提出了一种理想结构单元法，即把结 构分成最大可能的单元，以简单的形式归并几何非线性与材料非线性。中国船级社( C C S ) 在对 海洋平台进行强度分析和安全评估时，也采刚带板的模式，忽略板梁之间的细节作用，以减少量 的建模和计算工作量。如1 9 9 8

10、年、1 9 9 9 年对胜利油田的胜利五号、胜利六号钻井平台进行强度 分析评估时，即采用了这种方法。 而随着近年来计算技术的飞跃发展，大型海洋工程结构物的整体三维有限元分析成为可 能。一方面，整体三维有限元分析法将结构划分为若干个子结构，并进一步按照具体受力特征氛 围扳、梁、膜、壳等有限单元。这样可详尽而更加真实地描述海洋工程结构的各个细节，更加准 确地表达出整体结构的协调关系与变化。通过火规模有限元分析求解，可以求出备主要构件的实 塑鲎兰鱼望竺堕塑堡壁三丝宣堡垄坌堑 际变形与应力。另一方面，高速计算机突破了设计变量和约束条件的限制，人们可以将结构上更 细的构件作为优化变量，同时也可以考虑更多

11、的实际约束条件。 1 3 本论文研究的目的、主要内容和意义 本论文研究的目的就是主要对固定式海洋平台进行整体结构强度的三维有限元计算分析， 校合平台强度性能，找出平台结构上的薄弱点。尤其是在计算示例中，以胜利油田埕岛中心二号 的油气水处理生产平台进行了整体强度计算，对该平台在设计工况、校核工况和冰工况三种情况 下的应力和变形进行了计算分析。 本论文在消化吸收前人研究成果的基础上，重点运用M g c 公司的大型结构分析软件 N A S T R A N ( V 7 0 ) 对平台结构进行了整体分析。其主要内容有： 选取载荷工况为设计工况、校核工况和冰工况，对平台结构进行空间板梁结构的三维有 限元分

12、析，利用M S C N A S T R A N 程序系统建立了平台的整体三维模型，包括儿何模型、有限元模型 和质量模型； 分析和计算了平台在三种工况下的载荷。波浪、流载荷采用挪威D N V 的S E S A M 载荷计算 W A J A C 模块得到了结果。 计算得出目标平台一埕岛中心二号生产平台整体结构的应力分布情况、变形情况和最大 应力、最大变形结果。 本论文由于对石油平台的整体结构分析有较详尽的介绍，在大型复杂海洋工程结构物的强度 分析方面有一定的创新意义，为海洋工程结构的优化、疲劳校核和】寿命评估奠定了基础，提供了 参考。 6 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 第二章有限元分析法原理

13、 2 1 三维有限元分析原理概述 现代大型高速计算机的出现使得大规模的三维结构强度的数值分析方法成为可能，而在工 程实际中一般都是以有限元分析法作为基础和前提的。有限元模型建立的好坏、分析方法的正确 与否，将直接影响到强度计算的正确性和精确性。因此，我们有必要对三维有限元方法作较深的 了解，以期得到较为满意的结果。 平台总体结构强度有限元分析，就是首先将整个平台结构离散为功能与原结构相当的有限 元模型，按照实际的结构情况划分节点和单元，然后把全部载荷等效为节点载荷作用在节点上， 而节点由单元的港督支持，进而计算节点的位移和应力，最后算出单元应力而得到平台整体结构 的应力状况和整体变形情况。 实

14、现平台三维有限元分析，需完成以下系列工作： 阅读图纸等平台基础资料，如：平台结构图纸、尺寸要素、平台总体分布图、平台管 架节点图、重量重心数据、工作海区的环境资料等。 建立平台结构有限元模型：对于平台整体根据需要划分为若干个子结构，并按结构的 实际情况确定有限元网格的粗细和单元的类型，建立结构有限元模型，并将平台结构 的自身质量、设备及人员的质量离散到单元节点上，建立质量模型。 建立平台动力计算模型； 计算平台重力载荷、波浪载荷、风载、冰载和地震载荷等：根据给定的平台工作海区 环境资料，参照平台设计规范的有关章节，计算出各种载荷工况。 计算平台应力、应变分布：针对上面确定每一种计算T 况，逐一

15、进行求解。 处理和分析计算的结果：将计算结果以图形、曲线、表格的形式表达出来，并对其进 行相应的分析。 最基础的 ：作是建立平台整体有限元结构模型，它能正确反映平台主结构的刚度特点，一 般力学模型由2 0 0 0 - - 4 0 0 0 个节点及相应数量级的单元组成，在这样规模的单元和节点上施加重 力、风、浪、流载荷、冰载荷和地震载荷进行不同的工况组合。 2 2本论文中三维有限元分析方法的具体运用特点 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 传统的平台结构分析分为两部分，一是平台总强度分析，二是平台局部强度分析。在九十 年代以前都是通过传统的简化模式进行平台总强度计算，但平台结构的很多重要细节在粗

16、略地简 化下是不能够反映的，使得局部分析变得非常近似和有限。而有限元技术经过三十多年的发展日 趋成熟，同时借助于飞快发展的计算机的支持，使得形成了功能强大的软件工具，得以进行复杂 结构的分析研究。 本论文的特点就是把原来在简化模式中忽略的结构部分完整地用有限元软件表现出来，这样 作可以发现很多在简化模式中不能得到反映的细致问题。如图2 - 1 所示的加筋板，在很多简化模 式中，一般将其等效为一正交异性板( 如图2 - 1 A ) ，即将加筋面积作用折算到单向材料模量E 中。 虽然这样做可以简化计算的繁琐性，但同时又带来了精确度的降低。本文利用N A S T R A N 程序，在 计算机强大计算

17、能力的帮助下，把板和综骨分开建模，用板梁结构能得到更为准确的结果( 如图 2 一l B ) 矸 加筋板A 正交异性板 图2 一l 巴二Z 二乙= 乙 囫囫 B 板梁结构 在对平台结构进行三维有限元强度分析时我们采用了美国M a c N e a l S c h w e n d l e r ( M S C ) 公 司著名的大型结构分析软件N A S T R A N 进行分析计算。计算平台结构三维有限元模型在上述诸力 作用下的变形与内力，获得平台各构件的应力分布。 3 1 程序系统简介 第三章M S C N A S T R A N 程序介绍 M S C N A S T R A N 是世界各 - 业领

18、域一致认可和推崇，功能最全面、应丹j 最广泛的大型通用结 构有限元分析软件，同时也是工业标准的F E A 原代码程序及国际合作和国际招标中工程分析校验 的首选 ：具，其可以解决各类结构的强度、刚度、动力学、热力学，非线性、声学、空气弹性及 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 结构优化等等，通过有限元分析确保各个零部件及分析系统在最合理的环境下正常的工作，获得 最佳性能。比专门对某类问题分析的专用软件可解决更广泛的问题( 例如：静力学、动力学、非 线性情况、热学分析或者优化问题) 。M S C N A S T R A N 主要是由F O R T R A N 语言编写的，使用了超过 百万行的代码。

19、M S C N A S T R A N 可用于多种计算机和操作系统，包括从小型工作站到最大的超级计 算机。不论被用于什么计算机系统，M S C N A S T R A N 都能够进行优化高效的运行，并提供在这种系 统中的鉴定结果。 M S C N A S T R A N 由大量被称为模块的部分组成。模块是F O R T R A N 子程序的集合，被设计用来 做特殊的任务过程模型几何系统，集合矩阵，应用约束，求解矩阵，计算输出量，转换数据 库，打印解决问题的方法，等等。模块被称做直接矩阵提取程序( D M A P ) 的内容语言控制。 M S C N A S T R A N 中的每种可用的分析模

20、型叫做一个方法系列。每个方法系列，是一个成百上千的D M A P 的命令。一旦一个方法系列关闭，它特定的D M A P 命令就会发出一条指令给需要执行方法系列的 模块。所有的这些在选择一个方法系列以后，将不受人为控制而自动执行。 与M S C N A T R A N 紧密相连的M S C P A T R A N 是世界公认的最好的新一代框架式前后处理集成系 统，通过全新的“并行工程概念”、无可比拟的工程应用将C A D C A E C A M C A T ( 测试) 及用户自编 程序融为一体，除同一些世界著名的C A D O M 系统如C A D D S 、C A T I A 、U G 、E

21、D C M D 、P r o E n g ia J - 等实现以单一几何模型方式即( S G M 技术) 进行直接的几何访问外，M S C A T R A N 本身还拥有很深 的可独立运作的C A D 建模功能，在C A E C A T 方面，M S C P A T R A N 同一些世界著名的分析和测试软件 进行很好的系统的集成如M S C N A T R A NM S C D Y T R A N 、D Y N A 3 D 、S A M C E F 、L M S 、A N S Y S 等，一些专用 应用软件用户自编的羊! l 序也可方便的与M S C P A T R A N 集成一体。 3

22、2 主要计算流程 本论文所进行的计算绝大部分是由M A S N A S T R A N ( V 7 0 ) 软件系统米完成的。在计算波浪和海 流载荷时用到了搠f 威船级社的S E S A M 软件。大体计算流程如下图示： G E O M E T R Y 几何模型 R E S U L T 结果处理 F E M 有限元模型P R O P E R T Y 属性 A N A L Y S I S 分析 图3 - 1 有限元计算流程图 L O A D B C 外载荷 t 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 第四章平台结构三维有限元几何模型建立 4 1 结构分析的基本假定： 利料是线弹性的，单元节点力和节点

23、位移之间保持线性关系。 各单元或结构变形与整个结构尺寸相L t 很d , ，可应用迭加原理。 4 2 结构的数学模型描述 一个实际的平台结构用等效的数学模型来表示，实际上是将真实的结构看作是若于线性结 构单元组成的理想化集合体。线性结构单元近于结构的杆件，视为用杆件轴线表示梁单元。导管 架结构的节点模拟成理想化的刚性节点，不仅传递轴力，而且也传递弯矩和剪力，这样模拟提供 了各单元之间的位移协调和应力连续条件。 节点是单元划分的依据，理想化结构的节点通常设在杆件交叉点、集c l J 载荷作丹j 点、杆件 剖面性质变化突变点及桩与设计泥面交界点。 4 3 基本方程式 采用有限元分析导管架平台结构要

24、建立大量的方程，可归纳为三组方f 、1 ： A 节点静力平衡方程 作用于每个节点的外力与节点的位移引起的杆端内力相平衡，即 尸= F 式中 P 作用于节点上的力； F 节点位移引起的交于节点的各杆端内力之和。 B 变形协调方程 交汇于一个节点的各单元，住外力作咐下引起各单元变形后，必须仍保持交汇于一点 整个结构各节点都必须满足变形协调方程。 c 应力应变方程 单元的节点力和节点位移呈线性关系，即 1 0 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 f = k 式中 f 应力； 应变 k 刚度系数 上述三组方程，最终即归结为从已知的外力、外变形求解杆内力和变形。 4 4 结构有限元模型 ( 1 ) 节点

25、和单元 导管架平台结构是一以杆系为主的结构，节点一般选在杆件的交叉点。根据需要，集中载 荷作用点、杆件截面突变点、桩与泥面处的交点也设为节点考虑。 导管架结构的特点，杆件一般用来传递轴力、弯矩、剪力，因此在建立模型时杆件一般设 为粱单元。 ( 2 ) 结构坐标系统 以垂直向上的结构坐标系统的z 轴，与z 轴在0 点正交的水平面X O Y 平面，按右手坐标系 方向确定x 轴和Y 轴方向。 ( 3 ) 单元坐标系统 单元坐标系是用来表示局部杆件的坐标系， 两端为j 和k ，以J 为始端，取单元轴线为x j 轴 轴、z j 轴成平面正交并以右手坐标系方向为正。 以X 、Y 、z 表示，取结构中任一单

26、元I ，单元 J 点为原点，在水平面内取z j 轴，y j 轴与x j ( 4 ) 根据上述理论分析，在计算机上建立结构分析模型，结构模型采_ 千J 三维板梁结构进行模拟。 导管架平台结构主要包括导管架、桩基、尚不组块三部分，是由大量管型构件组成的空问构架， 导管架和桩基础共同构成平台的支撑结构，乡干部内力和变形要受到流体一结构一土壤相互作州 的影响，在建立平台结构有限元模型时，可采用简化的分析方法，即把桩基在泥面处分开，桩设 计泥面交接点设节点。根据C C S 海上固定平台入级与建造规范( 1 9 9 2 年) 3 2 2 结构计算模型 的3 2 25 ( 3 ) 规定，将桩的下部模拟为一刚

27、性固定端。刚性【司定端位于没计泥面以FT ( 1 1 1 ) 处， T - 6 D 。这样，按照M S C N A S R A N 程序中提供的单元模型，将平台划分为如下儿个部分： A 上部组块的有限元模型：板单元( Q U A D 4 ) 和梁单元( C B A R ) ； B 导管架结构的有限元模型：管截面梁单元( C B A R ) ； C 桩基结构的有限元模型：管截面梁单元( C B A R ) 。 另外，对于如今出现的一种新型导管架一桩腿联结形式，如图41 即在导管架与桩腿之间 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 设立导向装置，取代过去的水泥灌浆方法，不仅能够起到固定联结的作用，还减

28、轻了整个结构的 重量。为了正确反映这种做法的特点，通常可以采用三种模型化方法处理：A 、认为地将导管架 与桩腿分开，在导向装置所在位置处增设虚拟杆单元( C R O D ) 来模拟导管架与桩腿之间的相互作 用：B 、不改动结构本身的形式，而是把导向装置设置为接触元，利用接触元本身的力学特性来 反映导向装置的特点：C 、“两个= 端同一，中间分开”，即在导管架与桩顶部联结处，设为同一 个有限元节点；在水下泥面处，导管架与桩腿设同一个节点。 4 5 质量模型 平台结构离散为有限元模型后，平台上设备及工作人员的质量应该同时离散到有限元节点 上，并保持其原重心的位置不变，以保证模型的正确性。因此，需要

29、对有限元模型进行调整，模 拟人员设备的质量，建立正确的质量模型。般来说，包括以下几个步骤： 定义平台本身质量：根据厂方或设计单位提供的平台重量资料，在设置材料属性时选用 正确的密度； 定义设备质量：平台上的各种静止质量中，设备占了很大的份额。对于甲板上的各种设 备，虽然其重心高度高于甲板，但是由于中心高度很小，对主要在静l L 状态下工作的平台来说， 影响不大，故此我们仅将其质量按照质量点的形式直接分布在甲板上： 定义活动人员及其它附属质量：其中包括设备中的液体，人员活动等。设备未占的区域 采取一均值均布的形式，这里取为按5 k N m 2 第五章计算载荷及边界条件的确定 5 1 计算载荷的合

30、理确定 作用在平台主体结构上的载荷一般有使用载荷、施 ：载荷、环境载荷，载荷计算参数和计 算方法，特别是环境载荷的合理计算，直接影响到平台的安全和投资。本研究中的环境载荷按照 中国C O S 海上固定平台入级与建造规范( 1 9 9 2 ) 的规定和业主提供的环境条件资料进行计算。 计算基本载荷分为固定载荷、活载荷、风载荷、波浪载荷、海流载荷、冰载荷和地震载荷 等。风、浪、流、冰载荷按四个方向即0 ”、3 9 。、9 0 ”、2 7 0 ”考虑。上述基本载荷的组合，可分为 设计T 况、校核工况、冰 j 况和地震工况。因为本研究的主要目的是进行平台整体结构构件尺寸 的优化设计研究，考虑到业主所提

31、供的地震环境条件( 设防为8 ”) 囚其重现期相当长，不宜将地 震工况作为结构优化设计时的最不利工况来考虑，本研究中仅考虑其它所有工况中最不利的计算 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 载荷情况下进行平台结构优化设计。 固定栽荷 固定载荷包括结构自重和设各自重等载荷，结构自重包括导管架、桩、上部组块以及其它 附属结构的自重。水面以下结构构件的浮力也是固定载荷的一部分。设备自重根据工艺总体布置 提供的设备布置图确定，包括设各以及设备支撑的重量。 活裁荷 活载荷包括设备中的液体，人员活动等。 风戢荷 风的特征是用风向和风速两个量来表示，从理论上说，洋面上大范围内空气运动的本身是 复杂的，具有强烈的

32、紊动性和随机性。而近海面的大气层除受洋面影响外，尚须受到大陆气流影 响，使其空气运动的紊动性和随机性比洋面更为强烈。当它遇到构筑物的阻挡，所产生的风压更 具强烈的紊动性。因此，严格按其紊动性特性描述风压不仅理论上有困难，而且由于海洋平台迎 风面较小，在环境载荷中不属最重要载荷，故我们采用工程设计中惯用作法，并为安全计，将风 载荷按随机理论或取风载荷峰值作为准静态载荷处理。 按定常运动中流体微团沿流线运动的能量守恒定律，即在没有外力作用和不考虑消耗条件 下，对于不可压流体，满足伯努利方程： 1 ， p o + ：p v 2 P 式中P 为常数，p 为流体密度，v 、P 。为速度和压力。该方程说明

33、不可压缩流体在流动中总能量 不变，即压力能与动能之和为定常数P ，则 1 P o = P P 。= 去p ，2 = 口，V 2 _ 丁程上定义凡为基本风压( P a ) ，基本风压与风速平方、空气密度成正比。a 为风压系数。由于 确定p 有一定难度，往往采用 y 2 P g 其中y 为重度，g 为重力加速度，则风压系数改写为 d ；上 2 9 因此计算基本风压必须确切地确定风压系数，它与海拔高度和温度有关。按我国现行的“海 上同定平台入级与建造规范”建议取口= 0 6 1 3 N s2 m4 。 由于海洋平台迎风面较小，在环境载荷中不属于最重要载荷。平台受到风载荷的作用，风 海洋平台整体结构强

34、度三维有限元分析 载荷的大小按“海上固定式平台入级与建造规范”( i 9 9 2 版，以下简称“规范”) 的要求计算。 海洋平台的风载荷不仅与基本风压有关，还与建筑物形状、结构高度、迎风面面积有关， 即( 见“规范”22 2 1 ) ： F = K K z P o A ( N ) 式中： K 风载荷形状系数，分别取为0 5 ，1 0 ，1 5 。 K 。海上风压高度变化系数，根据规范选取。 P 。基本风压，取为P o = a v , 2 ( P a ) A 受风面积，即垂直于风向的轮廓投影面积 波浪栽荷 波浪一般由风、潮汐、地震等作用力引起。根据资料，埕岛海域主要是风成浪，本课题仅 考虑由海风

35、引起的波浪载荷。 从流体力学角度考虑，两种不同流体互相接触，当二者发生相对运动时，其分界面上便形 成了波浪。因此，当空气流动时，必然会产生风浪。风浪的成长，既与风速的大小有关，也与作 用于海面的持续时间有关。为了计算波浪作用在结构上的流体动力载荷，首先必须确定波浪的基 本参数。 按j 本论文计算实例涉及的具体海况，水深d = 8 1 2 米，波浪周划T = 86 秒，波高H = 6 4 6 7 米，则d T 2 = 01 1 、0 1 6 ，H T 2 = 0 0 9 1 0 0 8 6 ，根据参考文献，选择S t o k e s 五阶波理论最为合适。 已知波浪的波高( H ) 和周期( T

36、) 可以通过求解出波长( L ) 波浪水质点的运动速度和加速度等 诸参数并确定波浪下的整个流场，即给出完整的波浪数学模型和数值结果，进一步计算波浪作用 在海洋工程构筑物上的波浪力。导管架结构构件尺寸远小于波氏，波浪力采用小尺度孤立桩柱上 的波浪力计算常用的公式M o r is o n 公式计算。对于圆柱体构件，阻力系数c - 平【】J 喷性力系数c 按“规 范”取值如下： C 。F 07C 。= 20 波浪力的计算公式如下： F = F 9 + F | 一c 。考D I “l u + C m 里g 署等 海流栽荷 海流是由于各种不同类型的海水转移复杂地重叠在起而综合形成的，其速度和方向随时 4

37、 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 间、空间的变化而不断发生变化。 下式计算：( 见“规范”2 4 4 ) f D ：CD pA U ： 式中 当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度上的海流载荷f D 可按 N m c _ 一阻力系数，取为 p 海水密度，取为p = 1 0 2 5 x 1 0 3 堙m 3 u ，设计海流速度，取为1 0 2 m s A 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积 在本论文计算实例中，采用三维源汇理论，建立导管架结构模型，计算波浪动力载荷和海 流载荷。波浪、流载荷的计算采用挪威船级社( D N V ) 的S E S A M 软件，利用S E S b 3 i 的P R

38、 E F R A w I E 模 块建立结构有限元模型，W A J A C 模块进行动力计算。计算表明，在0 。、3 9 。、9 0 。、2 7 0 0 四个方向中， 3 矿时的波浪、流载荷最火。 冰载荷 根据冰的特性和其与平台的相互作用，主要考虑下列两种冰载荷： 在海流和风作用下，大面积冰原呈整体移动挤压平台； 自由漂流的流冰冲击平台。 作用于导管架腿上的冰力按“规范”( 1 9 9 2 ) 提供的公式计算： F = 仉C D t 式中 F 作用于导管架上的冰力，k N I 嵌入系数： f 。接触系数 c 。冰的无侧限抗压强度，k N m 2 ； D 冰接触区域结构的宽度或直径，m ： t

39、冰的厚度，t = 4 5 c m 。 5 2 组合工况 根据实际作_ E f ；| 于平台上的载荷确定基本载荷组合工况。结构设计时载荷组合的原则： 根据所选定的设计环境条件，对实际可能出现的各种基本载荷按晟不利的情况进行组合。 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 对同一结构的不同设计项目( 结构的总体受力分析和局部构件的设计等) 或不同阶段( 施工阶 段、使用阶段和生存阶段) ，按其各自实际可能同时出现的最不利的情况进行组合。 受水位影响的载荷和设计项目，在进行载荷组合时，应把水位作为一个组合条件考虑。如作用 在结构上的冰载荷、浮力等。 在载荷组合时应考虑到载荷的作用方向和作用点的位置，对于环

40、境载荷的方向，均认为环境载 荷来自任何可能的方向。 应注意载荷组合的合理性和可能性。设计时不能将最不利载荷同时作用于平台结构上，而是将 可能同时出现的最不利载荷同时作用于平台结构上。 根据以上载荷组合原则，本论文计算实例绍合了三种主要工况进行静力分析研究，分别如 下： ( 1 ) 设计工况 固定载荷、活载荷、2 0 年重现期设计高水位的的浪、流、风。 ( 2 ) 校核工况 固定载荷、活载荷、校核高水位的5 0 重现期的浪、流、风。 ( 3 ) 冰工况 固定载荷、活载荷、冰载荷、2 0 年重现期的风载荷、流载荷。 5 3 边界条件 在平台结构桩基E L ( 一) 1 9 4 m 四个节点设为刚性

41、固定，即 “= V = W = 以= 臼= 臼：= 0 第六章计算实例 6 1 平台结构型式、主尺度 埕岛中心二号平台用原日本进口的人工岛旧导管架修改而成，改造后结构型式为四腿导管 架式固定平台，其支承结构是以圆钢管为主要构件的钢结构。根据平台的功能、设备、设施、施 I ：等因素，中心平台分为四大功能模块( 子平台) ：即生活平台、动力及注水平台、油气及水处 理平台和储罐平台。 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 本论文主要针对油气及水处理平台进行三维有限元强度计算分析。该平台分为上部组块、 导管架和桩腿三部分。整体结构型式如图l 所示。上部组块有三层甲板，结构主尺寸如图2 。结 构采用梁板刚

42、架体系，四腿柱支撑，直径均为l4 m ，壁厚3 8 m m ，主梁采用工字钢1 8 7 、1 7 0 和1 4 5 ， 次梁采用工字钢1 2 4 ，甲板厚为用8 m m 普通板材，在顶层与二层甲板之间设( 4 2 6 1 4 立柱及斜撑， 在二层甲板与底层甲板之间设m 5 0 0 1 6 立柱及斜撑。导管架直径1 7 4 8 m ，壁厚2 8 m m 。导管架与桩 腿在E L ( + ) 8 8 m 处固定联接，在E L ( + ) 8 8 m 到E L ( 一) 1 1 O m 之间内设四个导向装置，导向 装置与桩腿之间间隙为2 0 m m 。桩腿总长8 09 0 m ，桩腿直径为1 4 m

43、 ，壁厚为2 8 m m 、3 4 r n m 、3 8 m m ， 插入泥深度为6 0 m 。上部组块的三层甲板，各层标高分别为E L ( 十) 1 5 5 0 0 、E L ( + ) 2 2o o O 、E L ( + ) 2 8 5 0 0 ，各层甲板之间设置立柱和斜撑。 在下层甲板A 轴附近有3 根直径为I O m 的海水提升泵护管，这三根护管在下层甲板、E L ( + ) 8 0 0 0 和E L ( 一) 4 0 0 0 三个平面获得支撑。 平台主尺度； 土部组垫 曼萱苤 纵向长度 宽度 顶层甲板标高 二层甲板标高 三层甲板标离 宽度( 中心线问) 高度 1 50 0 3 m 及

44、83 1 6 m 2 I3 m 总长80 9 0 m m9923 。 I 暑 嘶 辄 8 4 8 2 5 ， 6 2 2 1 m7 7， 7 2 十 + + 5； 9 L L L l E E E 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 图1平台整体结构图( 侧面) 6 2 环境条件 中心平台强度计算分析所采用的环境条件选取如下 水深和潮位 平均水深( 黄海平均海平面) 校核高水位( 5 0 年重现期) 设计高水位 黄海平均海平面 设计低水位 校核低水位( 5 0 年重现期) 图2平台上部甲板图( 俯视) 1 1 2 m 3 0 8 m 1 4 8 m 0 O O m 一0 6 9 m 一2 3 2

45、 m 波浪( 5 0 年重现期) 校核高水位最大可能波高 67 m 对应波浪周期86s 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 设计高水位最大可能波高 对应波浪周期 海流 最大流速( 5 0 年重现期) 最大流速( 2 0 年重现期) 风速 5 0 年重现期 1 0 分钟平均风速 1 分钟平均风速 3 秒钟阵风风速 2 0 年重现期 1 0 分钟平均风速 1 分钟平均风速 3 秒钟阵风风速 海冰 设计冰厚 海生物 6 4 m 8 6 s 1 6 9 c m S i 0 2 c m S 2 8 O m S 3 0 5 m s 3 3 6 m S 2 6 8 m s 2 9 7 m S 3 22 m

46、S 4 5 c m 平均海平面咀下的构件考虑3 c m 的海生物附生。 地震 本海区的地震设防为8 0 。 6 3 结构有限元模型 导管架平台结构主要包括导管架、桩基、上部组块三部分，是由大量管型构件组成的空间 构架，导管架和桩基础共同构成平台的支撑结构，结构的内力和变形要受到流体一结构一土壤相 互作用的影响。对于胜利浅海油田的导管架结构，在建立平台结构有限元模型时，采用简化的分 析方法，即把桩基在泥面处分开，桩与设计泥面交接点设节点。根据中国C C S 海上固定平台入 级与建造规范( 1 9 9 2 年) 3 2 2 结构计算模型的32 2 5 ( 3 ) 规定，将桩的下部模拟为一刚性 固定

47、端。刚性固定端位于设计泥面下T ( m ) 处，T = 6 D = 6 1 4 m = 84 m 。 平台结构有限元模型节点总数2 3 3 8 个，单元总数5 3 0 0 个 平台结构三维有限元模型图见图3 。 9 童堂= ! 三笪些堡堕塑塑堡三丝蔓竖重坌堑 Z t 4 Y 图3 平台结构三维有限元模型图 导管架和桩腿部分的单元划分如图4 。 上部组块第一层甲板板单元划分如图5 ，梁单元划分如图6 ： 上部组块第二层甲板板单元划分如图7 ，梁单元划分如图8 ； 塑堂! 鱼墼签苎塑塑壁三丝查里垂坌堑 上部组块第三层甲板板单元划分如图9 ，梁单元划分如图1 0 Z YX 、I ，N 吣l 、l N

48、 刁计I 俸秘 啪，I 、l f nI 卜 h ，I 、V J I 、刘f 1 7 v 1 1 1 l 阢7 际丽 眵机7 ：、舻划 lll 图4导管架年1 1 桩基部分有限单元划分图 2 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 Y ZX 一1 | | | f | | | | 愫 i | | | | | 锄| f H 嘲 劳| | | | | | | l 鞠 H 7 、n ； | | f 、 片1 | | | i | | f H 朗i i 两 极m | | | 鞠 础皑 Il l ( 嗡 宵盯m | | | | 陌 | | 、h 崩士丫J 刊梢h 卜+ 刊斗r| H _ + + + _ H 7 |

49、 ll 冉 1I | IlIl ll _ _ _ 图5第一层甲板板单元划分图 H | | l 彭U Ill H Hl f | l ，ll | lH 刊 H | | | | | l ，l | | | l | H H lI1 | | | | | H Hl | l fI l H 舒| |f | | l I I | | 1 1 4 茸|川| 站。J |Fl，。 | | | H l | | ll | | | lH H lr ，H 、II _ II _ I 。IIH lJ 爿 IIH I ll ， 图6第一层甲板梁单元划分图 海洋平台整体结构强度三维有限元分析 Y ZX 兵| ； f | f l l l i i | 磷JI ：t ! i l 嗡：、趴 M | | I i f ! 咐 W 、 | | il ? 十h H 、| | | | if | | | | ，柏、 斟| ， | ；L 1 f 羁| | | J ， | | lH - _ 黼 | | tf | l 撼 、H 手 H “ 垃爿 ；jj 图7第二层甲板板单元划分图 一| lfl | I I I I I | | H I II | | l | I