基于ANSYS的导管架平台模态分析.pdf

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1、收稿日期：20081206基金项目：2008年南通航运职业技术学院科研基金资助项目“基于ANSYS的海洋工程课程教学探索”（项目编号：2008B11）。作者简介：蔡厚平（1964），男，江西南昌人，南通航运职业技术学院船舶工程系副教授。摘要：作为海洋油气开发的基础设施，海洋平台的安全性越来越受到人们重视。文章以某导管架平台为例，采用ANSYS 模态分析，获得平台的模态振动规律，最终得出平台各方向的模态规律及薄弱部位。关键词：导管架平台；ANSYS；模态分析中图分类号：U674.38文献标识码：A文章编号：1671-9891（2009）02-0056-03基于 ANSYS 的导管架平台模态分析蔡

2、厚平，谢云飞（南通航运职业技术学院船舶工程系，江苏南通226010）第8卷 第2期2009年6月南通航运职业技术学院学报JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL TECHNICAL SHIPPING COLLEGEVol8 No2Jun20090引言海洋工程结构包括沿岸结构物和近海结构物两类，实际研究中常指近海结构物，即与海上石油勘探及生产有关的海上石油钻井平台、生产平台及相关结构。1海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础设施，其技术关系到海上油气资源能否有效利用。海洋平台长期处于恶劣的海洋环境中，受风、浪、流、冰、地震等自然环境作用，海洋工程结构的研究涉及结构力学、流体力学

3、、土力学和海洋环境等学科。随着海洋平台的应用深度加大，新型海洋平台的出现，按常规设计方法计算已不能适应规范要求。ANSYS 以其强大的分析计算功能，对海洋平台按规范进行结构静力、动力、材料非线性和几何非线性分析。2本文以 ANSYS 8.0 为基础，以某导管架平台为例，进行模态分析。1平台模型及特征参数1.1平台模型导管架平台由上层平台结构和下部导管架结构组成，底端通过桩基础固定。上部平台结构包括支撑框架和甲板，主要提供生产和生活场地，外形为矩形；下部导管架由一系列钢管焊接，主体为 6 根主导管，以细管件为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底。1.2平台简化及特性参数建模过程中对结

4、构适当简化，将平台主体模拟成一层空间钢架，钢架与导管架的联结为固接。平台为全钢制平台，构件弹性模量 EX=2.1 1 011Pa，泊松比 PRXY=0.3，密度 DENS=7 800kg/m3。具体特性参数见表1 所示。2平台模型的建立2.1平台网格划分根据所采取的模型，甲板采用 SHELL63 单元，导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采用 PIPE16单元，甲板平面的框架梁离散为 BEAM4 单元。采用命令流建模，平台模型如图 1、图 2 所示。2.2边界条件根据导管架下部桩基础的实际工作状态和受力情况，考虑其下端在海底不能完全固支，计算时在海底土蔡厚平，谢云飞：基于ANSYS的导管架平

5、台模态分析第2期57层以下 3m 采用铰接，原理如图 3 所示。表 1单元类型及特性参数图 1平台几何线框模型图 2平台有限元模型3平台的模态分析ANSYS 程序在模态分析时将上部重量以质量形式考虑，换算成单位长度附加质量填入 BEAM4 单元的实常数表中（换算方法：单位长度附加质量=上部重量线荷载/9.8）,其余荷载均去除。建模后，选择模态分析类型（modal），同时指定如下相应的分析选项：模态提取方法、提取振型数目、模态扩展数目和质量矩阵形成方式。最后进行结构自振分析求解，求解步骤完成后可利用后处理功能得到结构自振频率、对应振型及对应自振周期，同时与波浪振动周期比较。平台在使用期内面临诸多

6、动荷载，将极大降低平台的安全可靠性。同时由于平台固有频率的存在，各种动载的激励作用造成平台的振动及其它不利影响，最终导致平台失效。因此对平台固有频率的模态分析是研究其在动荷载作用下安全性能的重要途径。本文采用模态分析方法，模拟计算平台的固有频率及相关振型。图 4 为平台典型的固有频率及相关参数，图 5 为平台典型的振型图。图 3平台所受位移约束图 4平台不同阶次的固有频率外径（m）壁厚（m）1PIPE1620.052PIPE1610.033PIPE160.80.034PIPE160.50.025BEAM46SHELL63截面积 A（m2）IZ（m4）IY（m4）0.050.00030.0005

7、高度 h（m）宽度 b（m）0.40.2厚度 I（m）厚度 J（m）0.030.03厚度 K（m）厚度 L（m）0.030.03实常数编号单元类型58南通航运职业技术学院学报2009年一阶模态二阶模态三阶模态四阶模态五阶模态六阶模态图5平台不同阶次的振型图5平台的谐响应分析谐响应分析用于分析结构随时间按正弦规律变化的荷载作用的稳态响应，计算结构响应随频率的变化曲线。在平台模态分析的基础上，计算结构在前六阶固有频率范围内承受单位简谐荷载的位移响应曲线。结构 UX-Frequency、UY-Frequency 和 UZ-Frequency 变化曲线分别如图 6、图 7、图 8 所示：图 6UX-F

8、requency 变化曲线图 7UY-Frequency 变化曲线图 8UZ-Frequency 变化曲线（下转第62页）（上接第58页）由动力学可知，当外荷载的激振频率与结构的固有频率接近时会引起结构共振，位移响应最通过上图可以看出，UY-Frequency 变化曲线出现峰值所对应的频率与模型的一阶固有频率（1.1436Hz）和四阶固有频率（3.0838 Hz）一致，荷载作用于 Y 方向，而一阶模态和四阶模态均为 Y 向的弯曲变形模态，验证了结构的共振效应，UX-Frequency 和 UZ-Frequency 变化曲线均符合该规律。6结束语导管架平台属于固定式平台，其使用年限一般为二十年，

9、且在使用期内不能移动，因此平台的安全性与可靠性影响其开发使用。本文基于 ANSYS 分析系统，进行了平台的模态分析，得出以下结论：（1）平台的模态振型遵循 X 向弯曲、Y 向弯曲和 Z 向扭转的规律交替；（2）平台的低频振动特性明显，应避免较强的低频振动对平台的直接作用；（3）平台导管架和支撑是其较为薄弱的构件。以上结论可为类似结构的设计分析、使用提供依据，具有一定的工程参考意义。参考文献：1 中国船级社.海上固定式平台入级与建造规范S.北京：人民交通出版社，2003.2 罗伯特.E.兰德尔.海洋工程基础M.上海：上海交通大学出版社，2002.Application of ANSYS to M

10、odel Analysis of Jacket PlatformCAI Hou-ping,XIE Yun-fei(Dept.of Ship Engineering,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong 226010,China)Abstract：Increasingly great importance has been attached to the safety of offshore platform as it s the basicestablishment for marine oil and gas explo

11、itation.A jacket platform is studied to obtain the modal vibration law ofplatform by means of modal analysis.The modal law with every direction and weak region of platform are con-cluded in the end.Key words：Jacket platform;ANSYS;Model analysis参考文献：1施祝斌.船机检修技术M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.2黄少竹.现代船舶柴油机故障分析M.

12、大连：大连海事大学出版社，2005.3徐立华.船舶柴油机M.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.Analysis and Countermeasures on Scuffing of Diesel Engine CylinderCHEN Ping(Dept.of Turbine Engineering,Nantong Vocational&Technical Shipping College,Nantong 226010,China)Abstract:The scuffing of a diesel engine cylinder is one common fault,which dir

13、ectly affects the economy,power and reliability of a diesel engine.This paper introduces the main symptoms of the cylinder scuffing,ana-lyzes the causes of the cylinder scuffing and proposes some corresponding countermeasures.Key words:Diesel engine;Cylinder scuffing;Scuffing causes;Operation and management62南通航运职业技术学院学报2009年