淺海井組計(jì)量平臺(tái)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,淺海,計(jì)量,平臺(tái),設(shè)計(jì),cad 目 錄 第一章 前言 ......................................................1 1.1 國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r .........................................1 1.2 我國(guó)海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 .........................................2 第二章 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù) .....................................4 2.1 環(huán)境條件 .....................................................4 2.2 設(shè)計(jì)依據(jù) .....................................................5 第三章 平臺(tái)選型和主尺度 ........................................6 第四章 環(huán)境條件計(jì)算 ............................................7 4.1 風(fēng)載荷 ........................................................7 4.1.1 計(jì)算公式 ...................................................7 4.1.2 計(jì)算結(jié)果 ..................................................8 4.2 冰載荷 .......................................................10 4.2.1 計(jì)算公式 ..................................................10 4.2.2 計(jì)算結(jié)果 .................................................10 4.3 波浪、流載荷 .................................................11 4.3.1 計(jì)算公式 .................................................11 4.3.2 計(jì)算結(jié)果 .................................................11 4.4 甲板設(shè)備載荷 .................................................11 4.5 工況和載荷組合 ...............................................12 4.5.1 波流工況 .................................................12 4.5.2 海冰工況 .................................................12 第五章 建立數(shù)學(xué)模型及 ANSYS 程序和單元的相關(guān)說(shuō)明 ...........13 5.1 有限元法基本思路 ............................................13 5.2 ANSYS 有限元分析軟件概況： ...................................13 5.3 單元特性 ....................................................13 5.3.1 Beam188 單元特性 ........................................13 5.3.2 Pipe16 單元特性 ..........................................14 5.3.3 Pipe59 單元特性 ..........................................15 5.3.4 MASS21 單元特性 ..........................................16 5.4 建立模型 ....................................................17 5.4.1 建模準(zhǔn)備工作 ............................................17 5.4.2 建模步驟 ................................................18 第六章 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)靜力分析 ..................................24 6.1 平臺(tái)位移 ....................................................24 6.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 ................................................26 第七章 動(dòng)力學(xué)分析 ..............................................33 7.1 模態(tài)分析 ....................................................33 7.2 平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析 ............................................35 7.2.1 阻尼系數(shù) 、 求解 .....................................35 7.2.2 動(dòng)力計(jì)算（瞬態(tài)計(jì)算）結(jié)果 ................................35 第八章 樁基承載力計(jì)算 .........................................40 8.1 軸向承載力計(jì)算： ............................................40 8.1.1 計(jì)算公式 ................................................40 8.1.2 計(jì)算結(jié)果 ................................................44 8.2 軸向樁基承載力校核 ..........................................45 總結(jié) ..............................................................46 參考文獻(xiàn) .........................................................47 附錄 ..............................................................48 致謝 本篇設(shè)計(jì)是在XX老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計(jì)期間，楊老師為我們提供了很好的學(xué)習(xí)環(huán)境，并且在設(shè)計(jì)上給予了我們無(wú)私的幫助，在此對(duì)楊老師表示深深感謝。設(shè)計(jì)期間還得到了王樹(shù)青老師，石湘老師，張兆德老師的熱情指導(dǎo)和幫助，謹(jǐn)對(duì)老師們表達(dá)我忠心的感謝！ 另外，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，尤其是學(xué)習(xí)ANSYS的使用的過(guò)程中，得到了石湘老師研究生宮晨的大力幫助，在計(jì)算機(jī)使用方面，XX老師的三位研究生詹宇翀、石繼程、趙金賽也給予了我們很大的支持，在此表示衷心感謝！ 大學(xué)四年即將過(guò)去，借此機(jī)會(huì)，向幫助過(guò)我的所有的老師和同學(xué)表示感謝！祝愿大家在邁出校門(mén)之后，一帆風(fēng)順，大展宏圖！ 第一章 前言 隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大。陸地上的油氣資源經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期大規(guī)模的開(kāi)發(fā)之后已日趨枯竭，油氣勘探與開(kāi)發(fā)漸漸轉(zhuǎn)向了資源豐富的海洋，并形成了投資高、風(fēng)險(xiǎn)大并且高新技術(shù)密集的海洋工程產(chǎn)業(yè)。海洋石油開(kāi)發(fā)是海洋資源開(kāi)發(fā)利用的一部分。目前世界上己有39個(gè)國(guó)家(或地區(qū))從事近海石油開(kāi)發(fā)，22個(gè)國(guó)家(或地區(qū))從事近海天然氣開(kāi)發(fā)。 我國(guó)海域遼闊，其中大陸架面積約有110萬(wàn)平方公里，渤海，黃海，東海和南海都有大面積的沉積盆地，其中具有油氣勘探價(jià)值的面積在60萬(wàn)平方公里以上，即一半以上的海域有寶貴的石油。預(yù)測(cè)的石油儲(chǔ)量達(dá)250億噸，這是我國(guó)海上石油天然氣開(kāi)發(fā)的豐富資源基礎(chǔ)。我國(guó)從1957年便已開(kāi)始進(jìn)行海洋石油勘探開(kāi)發(fā)，從1979年實(shí)行改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的海上石油開(kāi)發(fā)更是進(jìn)入高速發(fā)展期，到2000年生產(chǎn)能力已達(dá)到2000萬(wàn)噸：預(yù)計(jì)到2005年，我國(guó)的海上原油生產(chǎn)能力會(huì)達(dá)到4000萬(wàn)噸。目前海洋石油己成為我國(guó)重要的原油生產(chǎn)基地。 在海洋開(kāi)發(fā)中，尤其是對(duì)淺海的開(kāi)發(fā)中，各國(guó)廣泛采用導(dǎo)管架平臺(tái)。導(dǎo)管架平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：(1)平臺(tái)的支承結(jié)構(gòu)是以圓鋼管為主要構(gòu)件的鋼結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。(2)由于樁是通過(guò)導(dǎo)管架腿柱打入海床，因此在惡劣的海洋環(huán)境中，樁打的準(zhǔn)、打的直。(3)打樁作業(yè)大大簡(jiǎn)化，保證平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。(4)平臺(tái)可以在陸上分塊預(yù)制，海上組裝，保證施工質(zhì)量，節(jié)約投資。(5)導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)、制造及安裝技術(shù)成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多，適用性強(qiáng)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，SAP、MSC/NASTRAN、ANSYS等各種結(jié)構(gòu)分析軟件被廣泛的應(yīng)用到平臺(tái)及導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算中，并且發(fā)揮了重要的作用。其中，ANSYA作為世界著名的美國(guó)ANSYS軟件公司的最具盛名的CAE軟件，其在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用更為通用廣泛，它提供了支持圓管形構(gòu)件的流體靜力、動(dòng)力效應(yīng)的Pipe59單元，能夠有效模擬海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，計(jì)算構(gòu)件在海水中受浮力、波浪力、流力等載荷的影響。在淺海平臺(tái)結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)中，ANSYS已經(jīng)得到成功的運(yùn)用。 1.1 國(guó)外海洋工程發(fā)展?fàn)顩r 世界石油開(kāi)發(fā)的歷史已有200多年， 1990－1995年間，除美國(guó)以外全世界共安裝了703座平臺(tái)，其中83座為半潛式、張力腿式和可移動(dòng)生產(chǎn)平臺(tái)，41各國(guó)家安裝了370多座水深不超過(guò)60m的淺水平臺(tái)。 長(zhǎng)期以來(lái)，樁基導(dǎo)管架平臺(tái)是世界海洋石油生產(chǎn)中采用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。以墨西哥灣海域的平臺(tái)發(fā)展為例，1978年建造的“Cognac”鉆井平臺(tái)以極端的颶風(fēng)載荷控制設(shè)計(jì)，導(dǎo)管架分三段建造；1981年水深285m的“Cerveza”平臺(tái)則使用更為先進(jìn)的整體制造，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)且成本大大降低。而北海的環(huán)境條件比墨西哥灣還要惡劣很多，海水腐蝕也更為嚴(yán)重，1974年建造的一座平臺(tái)，其導(dǎo)管架所有的樁基在四角上，除主樁腿外周圍又打入數(shù)根環(huán)繞樁，以增大抗傾覆能力。 1.2 我國(guó)海洋工程發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)海域遼闊，大陸架面積約有110萬(wàn)平方公里，管轄海域近300萬(wàn)平方公里。為開(kāi)發(fā)利用海洋，我們建設(shè)了大量的海洋工程，其中用于油氣開(kāi)發(fā)的海洋平臺(tái)100多座。海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐時(shí)時(shí)作用于結(jié)構(gòu)，同時(shí)還受到地震和海嘯的威脅。從1966年渤海建造第一座鋼質(zhì)鉆井平臺(tái)到1980年對(duì)外合作勘探開(kāi)發(fā)的15年里，我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造了11座固定式鉆井平臺(tái)、7座固定式平臺(tái)、1座自升式平臺(tái)、1座單點(diǎn)系泊系統(tǒng)和3艘工程船舶。 雖然我國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)較晚，但近年來(lái)通過(guò)對(duì)外合作，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，加上自己研究開(kāi)發(fā)，已在該領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)步。2004年，國(guó)內(nèi)最大石油平臺(tái)——渤海南堡35－2油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目平臺(tái)組塊建造工程開(kāi)工，南堡35－2CEP/WHPB平臺(tái)總重達(dá)到了12000多噸。其中CEP平臺(tái)組塊長(zhǎng)64米、寬59米、高20.6米，重達(dá)8000余噸，WHPB平臺(tái)也達(dá)到了4000噸。 本文介紹了淺海9米水深海上石油計(jì)量導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要包括以下幾方面內(nèi)容： 1． 學(xué)習(xí)ANSYS在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用； 2． 平臺(tái)選型、主尺度和構(gòu)件尺寸的確定； 3． 環(huán)境載荷計(jì)算及各工況載荷的組合； 4． 建立ANSYS模型； 5． 對(duì)平臺(tái)進(jìn)行靜動(dòng)力強(qiáng)度校核； 6． 地基承載力計(jì)算 第二章 環(huán)境條件和設(shè)計(jì)依據(jù) 2.1 環(huán)境條件 設(shè)計(jì)水深： 9米 潮位以黃海平均海平面為基準(zhǔn) 校核高水位（50年重現(xiàn)期）： 3.08米 設(shè)計(jì)高水位： 1.48米 設(shè)計(jì)低水位： -0.69米 校核低水位： -2.32米 波浪： 風(fēng)浪為主，涌浪次之，強(qiáng)浪向NNE-ENE 校核高水位最大可能波高： 7.2米 對(duì)應(yīng)波浪周期： 8.6秒 設(shè)計(jì)高水位最大可能波高： 6米 對(duì)應(yīng)波浪周期： 8.6秒 海流： 方向：ESE，WNW 最大可能流速： 1.6m/s 最大實(shí)測(cè)流速： 0.98 m/s 風(fēng)： 強(qiáng)風(fēng)向：NW-NNW，NNE-ENE 風(fēng)速： 冰作用下，設(shè)計(jì)風(fēng)速28m/s 波浪作用下，設(shè)計(jì)風(fēng)速51.5m/s 海冰： 設(shè)計(jì)冰厚（50年一遇）： 0.45m 抗壓強(qiáng)度： 2244kPa 腐蝕和磨損： 飛濺區(qū)構(gòu)件腐蝕裕量： 3mm 飛濺區(qū)定義標(biāo)高： -2.69m～+5.84m 冰接觸區(qū)構(gòu)件磨損量： 1mm 冰接觸區(qū)標(biāo)高： -1.14m～+1.93m 地質(zhì)資料： 表2.1地基土壤的物理學(xué)性質(zhì) 土壤 層號(hào) 土壤 名稱 深度 m 水下容重 KN/m3 剪切強(qiáng)度 C(Kpa) 摩擦角 ?（度） 1 非常軟的粘土 0－2 5.0 3.0 2 粉砂質(zhì)粘土 2－4 7.0 8.0 4－5.15 8.5 40.0 5.15－7.55 8.0 18.0 3 細(xì)砂 7.55－11.35 8.5 0 30 4 硬的細(xì)砂質(zhì)粘土 11.35－15.25 10.0 80.0 5 粉砂 15.25－18.3 10.5 25 6 粉砂質(zhì)細(xì)砂 18.3－23.4 10.0 30 7 粉砂質(zhì)粘土 23.4－27.8 10.0 50.0 8 粉砂 27.8－31.1 9.0 30 2.2 設(shè)計(jì)依據(jù) 平臺(tái)用途和主要功能： 本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)管架平臺(tái)為淺海井組計(jì)量平臺(tái)，包括甲板、導(dǎo)管架、樁基等部分。平臺(tái)上部設(shè)備總重量為200噸。 平臺(tái)用鋼材： 平臺(tái)所用鋼材為：樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架均用，甲板使用Q-235-A。按照規(guī)范要求，鋼材的屈服應(yīng)力為315Mpa，許用應(yīng)力取189 Mpa；Q-235-A鋼材的屈服應(yīng)力為235 Mpa，許用應(yīng)力取141 Mpa。 使用年限： 平臺(tái)的使用年限為15年。 依據(jù)規(guī)范： 中國(guó)船級(jí)社《淺海固定平臺(tái)規(guī)范》（2003） 第三章 平臺(tái)選型和主尺度 設(shè)計(jì)要求：平臺(tái)甲板面積17m×12m，承載能力200t。 考慮環(huán)境條件，決定采用摩擦樁基礎(chǔ)四腿導(dǎo)管架平臺(tái)： 平臺(tái)甲板高程：9.00 m 工作點(diǎn)高程：5.50 m 導(dǎo)管架尺寸：上部工作點(diǎn)處（EL+5.50m）為9m×8m 底部（EL-9.00m）為11.9m×10.9m 樁腿導(dǎo)管直徑為?1340×25，斜度為1/10。 導(dǎo)管架設(shè)3層水平橫撐，潮差帶不設(shè)斜撐，水平外圍橫撐與斜撐尺寸均為?610×20，水平內(nèi)圍橫撐尺寸為?400×20。 導(dǎo)管架底部設(shè)置防沉板，防沉板厚度為8 mm。 選取摩擦樁樁徑為1.2m，則根據(jù)CCS規(guī)范鋼管樁壁的最小厚度t按下式計(jì)算： t=6.35+D/100 mm 式中 D一樁徑，mm 則取樁壁厚為30 mm > t=6.35+1200/100=18.35 mm。 樁入土深度為30m，總長(zhǎng)為46.3m。 平臺(tái)甲板采用板、梁結(jié)構(gòu)，面積為17m×12m，甲板板厚為 8mm ，Y向設(shè)5根主梁，X向設(shè)4根，主梁為600×300×25工字梁。 表3.1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)重量計(jì)算 名稱 截面面積（㎡） 長(zhǎng)度（m） 密度 數(shù)量 質(zhì)量（kg） 導(dǎo)管?1340×25 0.103 15.58 7800 4 50067.888 EL+4.00水平外圍橫撐 0.037 7.23 7800 4 8346.312 EL-2.00水平外圍橫撐 0.037 8.43 7800 4 9731.592 EL-9.00水平外圍橫撐 0.037 9.83 7800 4 11347.752 EL+4.00水平內(nèi)圍橫撐 0.024 5.43 7800 4 4065.984 EL-2.00水平內(nèi)圍橫撐 0.024 6.27 7800 4 4694.976 EL-9.00水平內(nèi)圍橫撐 0.024 7.27 7800 4 5443.776 斜撐?610×20 0.037 7.34 7800 8 16946.592 合 110644.872 第四章 環(huán)境條件計(jì)算 本章分別計(jì)算風(fēng)浪、風(fēng)冰兩種工況下X和Y向的載荷。 4.1 風(fēng)載荷 4.1.1 計(jì)算公式 作用于平臺(tái)上的風(fēng)載荷按下式計(jì)算： 式4.1 式中 p—風(fēng)壓； A—結(jié)構(gòu)垂直于風(fēng)向的投影面積。 載荷作用在上述投影面積的形心位置。 其中，結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)壓為： 式4.2 為基本風(fēng)壓，標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m 式4.3 式中 —風(fēng)壓的高度系數(shù)； —構(gòu)件的形狀系數(shù)。 、取值見(jiàn)表4.1和表4.2 表4.1 高度系數(shù) 表4.2 形狀系數(shù) h(m) CH 構(gòu)件形狀 Cs 0~15.3 1.00 球 0.4 15.3~30.5 1.10 圓柱 0.5 30.5~46.0 1.20 大平板 1.0 46.0~61.0 1.30 鉆井架 1.25 61.0~76.0 1.37 甲板以下暴露的梁和桁材 1.3 76.0~91.5 1.43 孤立結(jié)構(gòu) 1.5 其中h（m）為構(gòu)件距離海平面的高度 4.1.2 計(jì)算結(jié)果 表4.3 風(fēng)、浪、流工況下X向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：(風(fēng)速51.5m/s) 名稱 底部位置 b或r h Ch Cs P0 P（Pa） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9.0 13 5 1 1 1625.83 1625.83 105.679 11.50 1215.308 主梁 8.2 17 0.8 1 1 1625.83 1625.83 22.111 8.60 190.157 連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 1625.83 812.915 3.414 7.25 24.753 樁腿 5.0 1.2 0.5 1 1 1625.83 812.915 0.487 5.25 2.560 導(dǎo)管架 0 1.34 5 1 1 1625.83 812.915 5.473 2.51 13.752 導(dǎo)管架橫撐 4.0 0.61 8.2 1 1 1625.83 812.915 4.082 4 16.328 合 141.248 合 1462.860 合力作用點(diǎn)高度=1462.860/141.248=10.35m 等效載荷： F=141.248kN M=141.248X(10.13-9)=160.175kN*M 作用點(diǎn)距靜水面9米 表4.4 風(fēng)、浪、流工況下Y向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速51.5m/s） 名稱 底部位置 b或r h Ch Cs P0 P（Pa） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9.0 9 5 1 1 1625.83 1625.83 73.162 11.5 841.367 主梁 8.2 12 0.8 1 1 1625.83 1625.83 15.607 8.6 134.228 連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 1625.83 812.915 3.414 7.25 24.753 樁腿 5.0 1.2 0.5 1 1 1625.83 812.915 0.487 5.25 2.560 導(dǎo)管架 0 1.34 5.025 1 1 1625.83 812.915 5.473 2.51 13.752 導(dǎo)管架橫撐 4.0 0.61 8.232 1 1 1625.83 812.915 4.082 4 16.328 合 102.228 合 1032.991 合力作用點(diǎn)高度=1032.991/102.228=10.10m 等效載荷 F=102.228kN M=102.228X(10.10-9)=112.450kN*m 作用點(diǎn)距靜水面9米 表4.5 風(fēng)、冰、流工況下X向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速28m/s） 名稱 底部位置 b或r h Ch Cs P0 P（Pa） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9 13 5 1 1 480.6 480.59 31.238 11.5 359.241 主梁 8.2 17 0.8 1 1 480.6 480.59 6.536 8.6 56.209 .連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 480.6 240.295 1.009 7.25 7.316 樁腿 5 1.2 0.5 1 1 480.6 240.295 0.144 5.25 0.756 導(dǎo)管架 0 1.34 5.025 1 1 480.6 240.295 1.618 2.5125 4.065 導(dǎo)管架橫撐 4 0.61 7.228 1 1 480.6 240.295 1.059 4 4.237 合 41.605 合 431.828 合力作用點(diǎn)高度=431.828/41.605=10.38m 等效載荷 F=41.605kN M=41605.3X(10.38-9)=57.415kN*m 作用點(diǎn)距靜水面9米 表4.6 風(fēng)、冰、流工況下Y向風(fēng)載計(jì)算結(jié)果：（風(fēng)速28m/s） 名稱 底部位置 b或r h Ch Cs P0 P（Pa） F(kN) 作用點(diǎn) M(kN*M) 工作間 9 9 5 1 1 480.59 480.59 21.626 11.5 248.705 主梁 8.2 12 0.8 1 1 480.59 480.59 4.613 8.6 39.677 連接構(gòu)件 5.5 1.2 3.5 1 1 480.59 240.295 1.009 7.25 7.316 樁腿 5 1.2 0.5 1 1 480.59 240.295 0.144 5.25 0.756 導(dǎo)管架 0 1.34 5.025 1 1 480.59 240.295 1.618 2.5125 4.065 導(dǎo)管架橫撐 4 0.61 7.228 1 1 480.59 240.295 1.059 4 4.237 合 30.071 合 304.760 合力作用點(diǎn)高度=304.760/30.071=10.134m 等效載荷 F=30.071kN M=30071.14X(10.134-9)=34.100kN*M 作用點(diǎn)距靜水面9米 注：為了在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算并且減少應(yīng)力集中，根據(jù)力的平移法則，將風(fēng)載等效為一個(gè)集中力加一個(gè)彎矩，作用于導(dǎo)管架頂部，作用點(diǎn)距靜水面9米。 表格中“底部位置”均指構(gòu)件底部距海平面的距離，“合力作用點(diǎn)高度”亦是指合力作用點(diǎn)距海平面的高度。 4.2 冰載荷 4.2.1 計(jì)算公式 作用于平臺(tái)上的冰載荷按下式計(jì)算： 式4.4 式中：—樁柱形狀系數(shù)，對(duì)圓截面柱采用0.9； —局部擠壓系數(shù)； —樁柱與冰層的接觸系數(shù)； —樁柱寬度（或直徑）； —冰層計(jì)算厚度。 4.2.2 計(jì)算結(jié)果 根據(jù)CCS規(guī)范擠壓系數(shù)K1=2.5；接觸系數(shù)K2=0.45； 由環(huán)境條件：＝2244kPa； 由圖紙資料：b=1.34m h=0.45m。 則單個(gè)樁腿所受的冰載荷為： 0.9×2.5×0.45×1.34×0.45×2244=1370kN 考慮群樁產(chǎn)生的遮蔽效應(yīng)和堵塞作用，受遮蔽的樁腿受到的冰載荷為： 0.3＝1370×0.3＝411 kN 根據(jù)CCS規(guī)范，當(dāng)樁腿之間距離L>8D時(shí)不考慮“群樁效應(yīng)”，D為樁的直徑。 有 8D=8×1.2＝9.6m 依據(jù)圖紙，側(cè)向樁泥線處最小間距為11.2m>9.6m，所以不考慮“群樁效應(yīng)”。 4.3 波浪、流載荷 4.3.1 計(jì)算公式 對(duì)小尺度圓形構(gòu)件，垂直于其軸線方向單位長(zhǎng)度上的波浪力， 當(dāng)D/L≦0.2（D為圓形構(gòu)件直徑，m；L為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，m）時(shí)，可按Morison公式計(jì)算： N/m 式4.5 式中： ——海水密度，kg/m3 ； ——垂直于構(gòu)件軸線的阻力系數(shù)。必要時(shí)，應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定。在實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件可取=0.6~1.0； ——慣性力系數(shù)，應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定，在實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對(duì)圓形構(gòu)件可取2.0； ——水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的速度分量，m/s， 為其絕對(duì)值，當(dāng)海流和波浪聯(lián)合對(duì)平臺(tái)作用時(shí)，為水質(zhì)點(diǎn)的波浪速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量； ——水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于構(gòu)件的垂直于構(gòu)件軸線的加速度分量，m/s2。 當(dāng)只考慮海流作用時(shí)，圓形構(gòu)件單位長(zhǎng)度上的海流載荷按下式計(jì)算： N/m 式4.6 式中： ——阻力系數(shù)； ——海水密度，kg/m3； ——設(shè)計(jì)海流速度，m/s； ——單位長(zhǎng)度構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積，m2/m。 設(shè)計(jì)海流速度采用平臺(tái)使用期間可能出現(xiàn)的最大流速。 4.3.2 計(jì)算結(jié)果 在ANSYS程序中，提供了支持圓管形構(gòu)件的流體靜力、動(dòng)力效應(yīng)的Pipe59單元，能夠有效模擬海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，所以需要在ANSYS模型建立之后，將有關(guān)波浪和海流參數(shù)填入water table表格中，程序?qū)⒏鶕?jù)所選用的波浪理論對(duì)使用了Pipe59單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行波浪力及流力的計(jì)算。 考慮到所給出的環(huán)境資料（H/d>0.2），選用斯托克斯五階波進(jìn)行計(jì)算，斯托克斯五階波相關(guān)公式如下： 波面方程為： 式4.7 迭代求L、方程為： 式4.8 其中為深水波長(zhǎng) 式4.9 速度勢(shì)方程為： 式4.10 相位角為： 式4.11 波形系數(shù)： 速度勢(shì)函數(shù)： 其中 、、、為系數(shù)。 4.4 甲板設(shè)備載荷 該平臺(tái)為石油計(jì)量平臺(tái)，其設(shè)備總重約為200噸，計(jì)算時(shí)甲板載荷等效為4個(gè)各50噸的質(zhì)量單元，作用于樁腿頂端的節(jié)點(diǎn)之上；平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自重通過(guò)輸入z軸方向的重力加速度（9.8m/）由ANSYS程序自動(dòng)生成。 4.5 工況和載荷組合 4.5.1 波流工況 1）X方向上（0°方向），波浪力+海流力+風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 2）Y方向上（90°方向），波浪力+海流力+風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 4.5.2 海冰工況 1）X方向上（0°方向），冰力+海流力+風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 2）Y方向上（90°方向），冰力+海流力+風(fēng)力+結(jié)構(gòu)自重+甲板設(shè)備重 第五章 建立數(shù)學(xué)模型及ANSYS程序和單元的相關(guān)說(shuō)明 5.1 有限元法基本思路 有限元法是一種利用電子計(jì)算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特征問(wèn)題的數(shù)值解法，其基本思路是： 1.把很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為若干個(gè)形狀簡(jiǎn)單的單元，這些單元一般要小到可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述特征參數(shù)在其中的分布，這一過(guò)程即離散。 2.通過(guò)對(duì)單元的分析來(lái)建立各特征參數(shù)之間的關(guān)系方程，即單元分析。彈性力學(xué)中，單元分析的任務(wù)是建立聯(lián)系應(yīng)變和節(jié)點(diǎn)位移分量的方程，同時(shí)研究單元的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，以及把作用在單元中間的外載荷轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)載荷。 3.在單元分析的基礎(chǔ)上，利用平衡條件和連續(xù)條件將各個(gè)單元拼裝成整體結(jié)構(gòu)。對(duì)整體在確定邊界條件下進(jìn)行分析，從而得到整體的參數(shù)關(guān)系方程，即整體矩陣方程。這一過(guò)程為整體分析。 4.求解整體矩陣方程，即可得到各種參數(shù)在整體結(jié)構(gòu)中的分布。 5.2 ANSYS有限元分析軟件概況： 1970年Dr .John A.Swanson成立了Swanson Analysis System，Inc.(SASI)，后經(jīng)重組改稱ANSYS眾司。ANSYS是世界CAE行業(yè)最著名的公司之一，其總部位于美國(guó)賓西法尼亞州的匹茲堡。三十年來(lái)，ANSYS公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開(kāi)發(fā)、維護(hù)以及售后服務(wù)等，并不斷吸取最新的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，始終領(lǐng)導(dǎo)著國(guó)際分析仿真和優(yōu)化技術(shù)的新潮流，為全球工業(yè)界所認(rèn)同，擁有十分廣泛的用戶群。 作為新一代有限元分析軟件的代表，ANSYS抓住了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)CAE技術(shù)提出的新要求，即以廣泛的多物理場(chǎng)仿真分析的功能，承擔(dān)起虛擬樣機(jī)這一設(shè)計(jì)核心的角色。ANSYS軟件可以實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)藕合分析，具有強(qiáng)大的非線性分析功能。它是一種可以實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA軟件，并可支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有平臺(tái)以及所有平臺(tái)的并行計(jì)算。 5.3 單元特性 本文采用了以下ANSYS單元模型進(jìn)行計(jì)算： 5.3.1 Beam188 單元特性 Beam188 單元適合于分析從細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。 Beam188 是三維線性（2 節(jié)點(diǎn)）或者二次梁?jiǎn)卧?。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)或者七個(gè)自由度，自由度的個(gè)數(shù)取決于KEYOPT(1)的值。當(dāng)KEYOPT(1)＝0（缺?。r(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的x、y、z 方向的平動(dòng)和繞x、y、z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)KEYOPT(1)=1 時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，這時(shí)引入了第七個(gè)自由度（橫截面的翹曲）。這個(gè)單元非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動(dòng)和/并非線性大應(yīng)變問(wèn)題。 Beam188/beam189 可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread 定義橫截面。本單元支持彈性、蠕變及素性模型（不考慮橫截面子模型）。這種單元類型的截面可以是不同材料組成的組和截面。 5.3.2 Pipe16單元特性 圖5.1 Pipe16單元模型 Pipe16是一種單軸單元，具有拉壓、扭轉(zhuǎn)、和彎曲性能。 該單元在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)X，Y，Z方向的平移和繞結(jié)點(diǎn)X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)。該單元基于三維梁?jiǎn)卧?BEAM4)，包含了根據(jù)對(duì)稱性和標(biāo)準(zhǔn)管幾何尺寸進(jìn)行的簡(jiǎn)化。 圖5.1描述顯示了該單元的幾何形狀，節(jié)點(diǎn)位置和坐標(biāo)系。單元的數(shù)據(jù)輸入包括2個(gè)或3個(gè)節(jié)點(diǎn)，管的外部直徑(OD) 和管壁厚度(TKWALL)，應(yīng)力增量系數(shù)(SIF)與撓曲系數(shù)(FLEX)，內(nèi)部流體密度(DENSFL)，外部絕緣層密度(DENSIN)與厚度(TKIN)，允許侵蝕厚度(TKCORR)，絕緣表面積(AREAIN)， 管壁質(zhì)量(MWALL)， 管的軸向剛度(STIFF)，基于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的自旋頻率(SPIN)，和各向同性材料性質(zhì)。 該單元的X軸為從I結(jié)點(diǎn)到J節(jié)點(diǎn)的方向。當(dāng)單元由2個(gè)結(jié)點(diǎn)組成時(shí)，單元的Y軸被自動(dòng)設(shè)成平行于整體坐標(biāo)系的X-Y面。參見(jiàn)圖16.1 PIPE16幾何描述。在單元平行于Z軸的情況下（或在0.01%坡度范圍內(nèi)），該單元的Y軸是與整體坐標(biāo)系的Y軸（如圖示）平行。用戶若想人為控制單元X軸的方向，需定義第3個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果使用了第3節(jié)點(diǎn)(K)，則K和I、J一起定義了一個(gè)包括單元X軸和Y軸的平面 (如圖示)。繞管圓周的輸入與輸出位置定義為：若沿單元Y軸，為0度；類似的，沿Z軸，為90度。 應(yīng)力增量系數(shù)(SIF)影響彎曲應(yīng)力。若 KEYOPT(2) = 0，則應(yīng)力增量系數(shù)在I(SIFI)節(jié)點(diǎn)和J(SIFJ)節(jié)點(diǎn)末端輸入；若KEYOPT(2) = 1，2，或3，則軟件按照T形接頭自行計(jì)算并確定。當(dāng)SIF的值小于1.0時(shí)取1.0。撓曲系數(shù)(FLEX)被分為截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中從而生成一個(gè)計(jì)算彎曲剛度所需的修正轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。FLEX的缺省直為1.0，但也可以輸入任何一個(gè)正數(shù)。 單元的質(zhì)量可由管壁材料，外部絕緣體和內(nèi)部流體計(jì)算得到。絕緣體和流體決定了單元的質(zhì)量矩陣。允許侵蝕厚度用來(lái)計(jì)算應(yīng)力。一個(gè)確定的管壁其質(zhì)量是一個(gè)常數(shù)，不用考慮其計(jì)算值。一個(gè)非零的絕緣體面積是一常數(shù)，不用考慮其計(jì)算值(有管壁外直徑和長(zhǎng)度得來(lái))。一個(gè)非零的剛度也是一常數(shù)，不考慮管的軸向剛度。 5.3.3 Pipe59單元特性 pipe59單元是一種可承受拉、壓、彎作用，并且能夠模擬海洋波浪和水流的單軸單元。單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度，即沿x，y，z方向的線位移及繞X，Y，Z軸的角位移。除了本單元的單元力包括水動(dòng)力和浮力效應(yīng)，單元質(zhì)量包括附連水質(zhì)量和內(nèi)部水質(zhì)量，其余與單元pipe16相似。pipe59還可以模擬纜索單元，和link8相似。這個(gè)單元還適合剛度硬化和非線性大應(yīng)變問(wèn)題。 圖5.2 Pipe59 單元模型 pipe59輸入數(shù)據(jù)： 圖5.2給出了單元的幾何圖形、節(jié)點(diǎn)位置及坐標(biāo)系統(tǒng)。本單元輸入數(shù)據(jù)包括：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，管外徑，壁厚以及一些荷載和慣性信息；各向同性材料屬性；外部附著物（包括冰荷載和生物附著物）；材料粘滯系數(shù)用來(lái)計(jì)算外部流體的雷諾系數(shù)。 單元的x 軸方向?yàn)閕 節(jié)點(diǎn)指向j 節(jié)點(diǎn)，y 軸方向按平行x－y 平面自動(dòng)計(jì)算，其他方向如上圖所示。對(duì)于單元平行與z 軸的情況（或者斜度在0.01％以內(nèi)）， 圖5.3 波、流作用方向 單元的y 軸的方向平行與整體坐標(biāo)的y 軸（如圖5.3）。被認(rèn)為為0度的單元的外部環(huán)境輸入或輸出沿y 軸分布，就和90度的單元的外部環(huán)境輸入或輸出沿z 軸分布類似。 KEYOPT(1)用來(lái)消除抗彎剛度將管單元轉(zhuǎn)換為纜索單元，如果構(gòu)件存在扭轉(zhuǎn)，就可以用KEYOPT(1)=2來(lái)解決。KEYOPT(2)可以定義質(zhì)量矩陣是團(tuán)聚質(zhì)量矩陣還是一致質(zhì)量矩陣，可用于長(zhǎng)柔結(jié)構(gòu)，常用來(lái)分析帶扭轉(zhuǎn)的纜索結(jié)構(gòu)。 對(duì)于海浪，海流和水密度通過(guò)water motion table輸入，如果不輸入，就不會(huì)考慮水的作用。雖然文章中用“水”的不同性質(zhì)，事實(shí)上還可用于其他液體性質(zhì)描述，不同的曳力系數(shù)和溫度數(shù)據(jù)也可以通過(guò)此表輸入。 此外，單元長(zhǎng)度不能為0，此外，外徑必須大于0，內(nèi)徑不能小于0。水面附近的單元長(zhǎng)度相對(duì)波浪長(zhǎng)度應(yīng)小。單元的兩個(gè)端點(diǎn)不能同時(shí)處于泥面以下，并且如果積分點(diǎn)位于泥面以下，就會(huì)忽略水動(dòng)力。如果單元位于水平面上，可以不考慮PIPE59 Water Motion Table作用。在用縮減法進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意。因?yàn)檫@種分析會(huì)忽略單元上的荷載向量。 5.3.4 MASS21單元特性 MASS21 是一個(gè)具有六個(gè)自由度的點(diǎn)元素： 即 x， y， 和 z 方向的移動(dòng)和繞 x， y， 和 z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 圖5.4 Mass21 單元模型 此質(zhì)點(diǎn)元素由一個(gè)單一的節(jié)點(diǎn)來(lái)定義， 此單元的坐標(biāo)系統(tǒng)可以平行于全局的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)也可以使用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng) (KEYOPT(2)). 在節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的操作中可以看到對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系元素的操作討論。做大偏轉(zhuǎn)（a large deflection analysis）分析時(shí)元素坐標(biāo)系相對(duì)于節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。可以通過(guò)KEYOPT(3)選項(xiàng)來(lái)禁止轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的產(chǎn)生或使元素退化為二維形式。 如果一個(gè)元素只需一個(gè)輸入，那末這個(gè)輸入將運(yùn)用到其它所有方向。此元素的坐標(biāo)系顯示如上圖所示。 使用該單元的假設(shè)與限制：質(zhì)量單元在靜態(tài)解中無(wú)任何效應(yīng)，除非具有加速度或旋轉(zhuǎn)載荷或慣性解除，如果質(zhì)量輸入具有方向性，則質(zhì)量?jī)H輸出用x方向表示。 5.4 建立模型 5.4.1 建模準(zhǔn)備工作 模型樁腿與導(dǎo)管架等效厚度計(jì)算： 結(jié)構(gòu)模型化的過(guò)程中，出于計(jì)算簡(jiǎn)潔和方便建模的目的，利用抗彎剛度等效原理，將樁腿的壁厚等效到外層的導(dǎo)管架上。 根據(jù)材料力學(xué)有： 式5.1 式中，W為構(gòu)件的抗彎截面系數(shù) 式5.2 對(duì)于管單元，慣性矩為 式5.3 —外徑 d—內(nèi)徑 根據(jù)靜力等效原理，要使得構(gòu)件的最大應(yīng)力相同，需有： 式5.4 即： 式5.5 在此，設(shè)為導(dǎo)管架樁腿導(dǎo)管的外徑，為樁腿的外徑，由于是將樁腿的壁厚等效到外層的導(dǎo)管架上，即 代入上式則有： 將　　　　　　　　　　代入可得： 由＝ 式5.6 代入構(gòu)件尺寸有 則可得到等效壁厚為 t＝(1340—1236.78)/2＝51.6mm 5.4.2 建模步驟 １）創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) 根據(jù)原始圖紙，計(jì)算初各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，并將其輸入ANSYS程序。本平臺(tái)幾何模型共有關(guān)鍵點(diǎn)75個(gè)，一些關(guān)鍵點(diǎn)是由ANSYS程序“Preprocessor →Modeling →Move/Modify →Keypoints”操作鏡像而來(lái)。部分關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如下表所列，由于其數(shù)量較多，其余不一一列舉。 表5.1 部分關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo) NO. X，Y， Z LOCATION 1 5.950000 5.450000 -9.000000 2 -5.950000 5.450000 -9.000000 3 -5.950000 -5.450000 -9.000000 4 5.950000 -5.450000 -9.000000 5 5.100000 4.750000 -2.000000 6 -5.100000 4.750000 -2.000000 7 -5.100000 -4.750000 -2.000000 8 5.100000 -4.750000 -2.000000 9 4.650000 4.150000 4.000000 10 -4.650000 4.150000 4.000000 ２）通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建直線，完成幾何模型的建立 通過(guò)ANSYS程序“Preprocessor →Modeling →Create →Lines →lines →Straight lines”的操作，在相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)之間創(chuàng)建直線，則生成下圖。 圖5.5 平臺(tái)幾何模型 ３）定義材料及單元屬性 新建單元類型： 該模型共包括mass21、pipe16、pipe59、beam188四種單元類型，此操作的菜單路徑為“Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete… →Add… →select” 定義單元實(shí)常數(shù)： 選擇菜單路徑“ Preprocessor →Real Constants… →Add… →select Type * → OK→input ”，選擇需要添加實(shí)常數(shù)的單元類型。 本平臺(tái)模型共創(chuàng)建了6種單元常量（Set 1~Set 6），各單元常量及其單元屬性如下。 表5.2 Pipe 59及pipe 16實(shí)常數(shù)輸入 編號(hào) Set 2 Set 3 Set 4 Set 5 Set 6 單元類型 Pipe 59 Pipe 59 Pipe 59 Pipe 59 Pipe 16 外徑DO(m) 1.34 1.2 0.61 0.4 1.2 壁厚TWALL(m) 0.0516 0.03 0.02 0.02 0.03 表5.3 Pipe 59的其他常數(shù)值 拖曳力系數(shù)CD 慣性系數(shù)CM 附加質(zhì)量比CI 浮力比CB 內(nèi)部流體密度DENSO 1.4 2 1 1 1028 表5.4 Mass 21實(shí)常數(shù) X方向質(zhì)量MASS-X X方向質(zhì)量MASS-X X方向質(zhì)量MASS-X 50000 50000 50000 (建模過(guò)程中，在四根樁腿頂部各加一個(gè)50噸的質(zhì)量單元，用于模擬總重為200噸的平臺(tái)上部模塊) 表5.5 Beam 188實(shí)常數(shù)輸入（甲板主梁采用工字梁，建模時(shí)選取工字截面） 工字梁下翼板寬度W1 工字梁上翼板寬度W2 工字梁高度W3 0.3 0.3 0.6 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t3 0.025 0.025 0.025 ４）定義材料屬性 定義材料的彈性模量和泊松比： 平臺(tái)所選用鋼材的彈性模量和泊松比分別為2.06×（單位為N/㎡）和0.3，菜單路徑 “Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX：2.06e11， PRXY：0.3 → OK” 定義材料的密度： 鋼材的密度為7800kg/，菜單路徑為““Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Density→input DENS：7800→ OK” 定義water table： 根據(jù)所給出的環(huán)境條件，創(chuàng)建water table表格。 相關(guān)參數(shù)如下： KWAVE(波浪理論) 2 DEPTH（水深） DENSW（海水密度） θw（波向角） 9 1028 － 定義海流： Z(j)（海流深度） W(j)（海流速度） θd(j)（流向角） 0 1.6 － 定義波浪： A(i)（波高） τ(i)（周期） φ(i)（相位角） 6 8.2 － 其中，為了保守起見(jiàn)，θd(j)（流向角）和θw（波向角）取同樣大小，兩者的基線均為X軸正向。 Water table 相關(guān)說(shuō)明 Pipe 59單元波浪載荷計(jì)算有四種波浪理論（KWAVE）可供選擇，見(jiàn)表5.6： 表5-6 波浪理論選項(xiàng) 波浪理論選項(xiàng)（KWAVE） 相應(yīng)的波浪理論 0 深度衰減經(jīng)驗(yàn)修正的微幅波理論 1 Airy波理論 2 Stokes五階波理論 3 流函數(shù)波浪理論 ５）定義重力加速度 　　菜單路徑為“Solution →Define Loads →Apply →Structural →Inertia →Gravity →Global”，在ACELZ（Z向加速度）項(xiàng)中填入9.8。 ６）劃分網(wǎng)格 １．把單元類型賦給幾何模型 對(duì)于導(dǎo)管架、樁腿、以及甲板主梁，選擇“Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) lines： Set →”，拾取相應(yīng)的線定義屬性。 對(duì)于質(zhì)量點(diǎn)單元，選擇“Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) key pionts： Set →”定義屬性。 ２．選擇自由網(wǎng)格劃分 在“Mesh Tool…”對(duì)話框中，選擇復(fù)選框Smart Size，激活其下的滾動(dòng)條，調(diào)整劃分網(wǎng)格的精度為“6”。選擇“mush”分別對(duì)點(diǎn)和線進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 ７）施加邊界條件 菜單路徑“Solution →Define Loads →Apply →Structural →Displacement →On key pionts ”，拾取模型最下面的四點(diǎn)，定義為固支，即UX=UY=UZ=ROTX=ROTY=ROTZ=0. 注：模型將樁腿簡(jiǎn)化為泥面以下6倍樁徑固支。 最終生成模型如圖5.6： 圖5.6 平臺(tái)模型 第六章 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)靜力分析 6.1 平臺(tái)位移 使用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件4.5節(jié)中各工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，由后處理器可輸出結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力。各工況平臺(tái)最大節(jié)點(diǎn)位移見(jiàn)下表，各工況位移圖見(jiàn)下。 表6.1 各工況下結(jié)構(gòu)最大位移（m） 工況 主要載荷和作用方向 X方向位移 Y方向位移 合位移 波流工況1） 波流力+風(fēng)力0° 0.50874E-02 -0.18288E-02 0.53106E-02 波流工況2） 波流力+風(fēng)力90° 0.35284E-02 0.22232E-02 0.38146E-02 海冰工況1） 冰流力+風(fēng)力0° 0.24684E-01 0.42651E-03 0.24863E-01 海冰工況2） 冰流力+風(fēng)力90° 0.35935E-02 0.20161E-01 0.20443E-01 各工況位移圖如下： 圖6.1 波流工況1）位移圖 圖6.2 波流工況2）位移圖 圖6.3 海冰工況1）位移圖 圖6.4 海冰工況2）位移圖 由以上結(jié)論可得： 平臺(tái)頂部的最大水平X位移發(fā)生在海冰1工況下，為2.47 cm； 平臺(tái)頂部的最大水平Y(jié)位移發(fā)生在海冰2工況下，為2.02 cm； 平臺(tái)頂部的最大水平合位移發(fā)生在海冰1工況下，為2.49 cm。 6.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核 使用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件可對(duì)平臺(tái)的各工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，后處理器可輸出結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力。各工況平臺(tái)最大單元應(yīng)力見(jiàn)下表，各工況應(yīng)力云圖見(jiàn)下。 表6.2 各工況平臺(tái)最大單元應(yīng)力 工況 主要載荷和作用方向 最大單元應(yīng)力(Pa) 波流工況1） 波流力+風(fēng)力0° 0.305E+08 波流工況2） 波流力+風(fēng)力90° 0.269E+08 海冰工況1） 冰流力+風(fēng)力0° 0.121E+09 海冰工況2） 冰流力+風(fēng)力90° 0.114E+09 圖6.5 波流工況1）應(yīng)力云圖 圖6.6 波流工況2）應(yīng)力云圖 圖6.7 海冰工況1）應(yīng)力云圖 圖6.8 海冰工況2）應(yīng)力云圖 部分節(jié)點(diǎn)單元編號(hào)如圖6.9： 圖6.9 部分節(jié)點(diǎn)單元編號(hào) 各工況下部分構(gòu)件單元應(yīng)力比如下： 表6.3 波流工況2）各構(gòu)件單元應(yīng)力比 構(gòu)件名稱 型常數(shù) 單元編號(hào) 屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa) 應(yīng)力比 導(dǎo)管架導(dǎo)管 ?1340×25 445 315 7.33 0.023 428 315 2.94 0.009 438 315 5.83 0.018 407 315 2.62 0.008 樁腿 ?1200×30 1013 315 8.49 0.027 1012 315 21.27 0.068 1004 315 9.82 0.031 1005 315 19.53 0.062 EL+4.00外橫撐 ?610×20 319 315 1.75 0.006 347 315 3.29 0.010 EL-2.00外橫撐 ?610×20 193 315 5.84 0.019 207 315 22.34 0.071 209 315 22.66 0.072 223 315 4.99 0.016 EL-9.00外橫撐 ?610×20 65 315 0.27 0.001 95 315 1.91 0.006 斜撐 ?610×20 549 315 12.17 0.039 564 315 13.84 0.044 477 315 9.59 0.030 463 315 7.74 0.025 EL+4.00內(nèi)橫撐 ?400×20 609 315 1.17 0.004 623 315 1.79 0.006 EL-2.00內(nèi)橫撐 ?400×20 654 315 4.37 0.014 668 315 1.34 0.004 EL-9.00內(nèi)橫撐 ?400×20 729 315 3.12 0.010 743 315 1.27 0.004 表6.4 波流工況2）各構(gòu)件單元應(yīng)力比 構(gòu)件名稱 型常數(shù) 單元編號(hào) 屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa) 應(yīng)力比 導(dǎo)管架導(dǎo)管 ?1340×25 445 315 9.3 0.030 428 315 2.62 0.008 438 315 2.31 0.007 407 315 5.46 0.017 樁腿 ?1200×30 1013 315 4.49 0.014 1012 315 18.64 0.059 1004 315 3.21 0.010 1005 315 20.51 0.065 EL+4.00外橫撐 ?610×20 348 315 3.64 0.012 379 315 4.36 0.014 EL-2.00外橫撐 ?610×20 224 315 3.7 0.012 238 315 3.47 0.011 241 315 5.99 0.019 255 315 2.53 0.008 EL-9.00外橫撐 ?610×20 96 315 3.68 0.012 128 315 1.15 0.004 斜撐 ?610×20 549 315 7.92 0.025 564 315 9.95 0.032 477 315 5.97 0.019 463 315 4.52 0.014 EL+4.00內(nèi)橫撐 ?400×20 609 315 1.66 0.005 623 315 0.89 0.003 EL-2.00內(nèi)橫撐 ?400×20 654 315 4.47 0.014 668 315 0.96 0.003 EL-9.00內(nèi)橫撐 ?400×20 729 315 3.05 0.010 743 315 1.09 0.003 表6.5 海冰工況1）各構(gòu)件單元應(yīng)力比 構(gòu)件名稱 型常數(shù) 單元編號(hào) 屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa) 應(yīng)力比 導(dǎo)管架導(dǎo)管 ?1340×25 445 315 12.33 0.039 428 315 2.98 0.009 438 315 10.47 0.033 407 315 4.59 0.015 樁腿 ?1200×30 1013 315 73.05 0.232 1012 315 71.59 0.227 1004 315 30.84 0.098 1005 315 63.06 0.200 EL+4.00外橫撐 ?610×20 319 315 3.31 0.011 347 315 5.91 0.019 EL-2.00外橫撐 ?610×20 193 315 32.09 0.102 207 315 118.55 0.376 209 315 118.58 0.376 223 315 23.61 0.075 EL-9.00外橫撐 ?610×20 65 315 2.97 0.009 95 315 4.34 0.014 斜撐 ?610×20 549 315 70.74 0.225 564 315 68.7 0.218 477 315 10.01 0.032 463 315 8.34 0.026 EL+4.00內(nèi)橫撐 ?400×20 609 315 2.55 0.008 623 315 3.82 0.012 EL-2.00內(nèi)橫撐 ?400×20 654 315 5.26 0.017 668 315 4.62 0.015 EL-9.00內(nèi)橫撐 ?400×20 729 315 4.33 0.014 743 315 3.68 0.012 表6.6 海冰工況2）各構(gòu)件單元應(yīng)力比 構(gòu)件名稱 型常數(shù) 單元編號(hào) 屈服強(qiáng)度(MPa) 計(jì)算應(yīng)力(MPa) 應(yīng)力比 導(dǎo)管架導(dǎo)管 ?1340×25 445 315 3.52 0.011 428 315 6.33 0.020 438 315 10.84 0.034 407 315 10.17 0.032 樁腿 ?1200×30 1013 315 40.03 0.127 1012 315 46.32 0.147 1004 315 55.58 0.176 1005 315 86.11 0.273 EL+4.00外橫撐 ?610×20 348 315 5.76 0.018 379 315 8.42 0.027 EL-2.00外橫撐 ?610×20 224 315 23.14 0.073 238 315 33.13 0.105 241 315 112.83 0.358 255 315 19.43 0.062 EL-9.00外橫撐 ?610×20 96 315 3.65 0.012 128 315 4.52 0.014 斜撐 ?610×20 549 315 8.17 0.026 564 315 10.48 0.033 477 315 57.16 0.181 463 315 53