【正文】 樁。這種平臺 可用作井口平臺也可作為生產平臺。近年來 ,在北海南部海域也已開始應用 ,其中應用較多的簡易平臺主要有 MOSS Ⅱ型、 MantisⅠ型 Guardian、 Seashore 及獨樁平臺等。 據(jù)文獻介紹 ,牽索塔式平臺在水深為 300 米左右時 ,與固定式平臺造價幾乎相等；在水深為 300~600 米范圍內時 ,優(yōu)于固定式平臺；而在水深大于 600 米時 ,則讓位于張力腿式平臺。 Marsh 海洋石油平臺設計 3 概念。自 1973 年北海建成第一座 棍凝士重力式平臺Ekofisk Tank 平臺后 , 相繼又有 20 余座混凝土重力式平臺投人使用。半潛式平臺的數(shù)量在 70 年代迅速增加 ,設計重點表現(xiàn)在自推進、動力定位、惡劣海況、更大的工作水深（ 1830 米）及更大的鉆井深度（ 9144 米）。 60 年代，自升式平臺不僅在數(shù)量上大為增加 ,而且在結構上也得到了不斷的改進 ,到 60 年代末 ,自升式平臺的工作水深已達到 米（ 300英尺）。由于我國有大片的淺水及海灘地區(qū)需要勘探開發(fā) ,在所采用的鉆探裝備中 ,坐底式平臺占有重要的地位。 50 年代末 ,坐底式平臺的工作水深已達到 米（ 90英尺）。而鋼質導管架平臺則是在 1947 年首次出現(xiàn)于墨西哥灣 6米水深的海域 ,此后 ,海洋平臺得到了迅速發(fā)展。張力腿式平臺的上部類似于半潛式平臺，整個平臺是通過張力腿（實為系泊鋼管或鋼索）垂直向下固定于海底 ,它是一種新開發(fā)的深海平臺 ,與導管架平臺相比 ,導管架平臺的造價與水深關系大致呈指數(shù)關系增加 ,而張力腿式平臺的造價則隨水深的增加變化較小。由于半潛式平臺具有小的水線面面積 ,使整個平臺在波浪中的運動響應較小 ,因而它具有出色的深海鉆井的工作性能。坐底式平臺一般用于水深較淺的海域 ,工作水深通常在 60 米以內；自升式平臺具有能垂直升降的樁腿 ,鉆井時樁腿著底 ,平臺則沿樁腿升離海面一定高度 ,移位時平臺降至水面 ,樁腿升起 ,平臺就像駁船可由拖輪把它拖移到新的井位。 海洋平臺的分類 固定式平臺靠打樁或自身重量固定于海底 ,目前用于海上石油生產階段的大多數(shù)是固 定式平臺 ,它又可分 為樁式平臺和重力式平臺兩個類別。隨著海洋開發(fā)事業(yè)的迅速發(fā)展 ,海洋平臺得到了廣泛的應用 ,如海底石油和天然氣的勘探與開發(fā)、海底管線鋪設、海洋波浪能的利用、建造海上機場及海上工廠等。目前應用海洋平臺最為廣泛的領域當屬海上油氣資源的勘探與開發(fā)。樁式平臺通過打樁的方法固定于海底 ,其中的鋼質導管架平臺是目前海上使用最廣泛的一種平臺；而重力式平臺則是依靠自身重量直接置于海底 ,這種平臺的底部通常是一個巨大的混凝土基礎沉箱 ,由三個或四個空心的混凝土立柱支撐著甲板結構。自升式平臺的優(yōu)點主要是所需鋼材少 ,造價低 ,在各種情況下都能平穩(wěn)地進行鉆井作業(yè) ,缺點是樁長度有限 ,使它的工作水深受到限制 ,最大的工作水深約在 120 米左右；鉆井船是在船中央設有井孔和井架 ,它靠錨泊系統(tǒng)或動力定位裝置定位于井位上。半潛式平臺可用錨泊定位和動力定位 ,錨泊定位的半潛式平臺一般適用于 200~500 米水深的海域。此外 ,由于每個張力腿都有很大的預張力 ,因此張力腿式平臺在波浪中的運動幅度遠小于半潛式平臺；牽索塔式平臺由甲板、塔體和牽索系統(tǒng)三部分組成。到 1978 年 ,鋼質導管架平臺的工作水深已達 312 米 ,而不久前高度為 486 米的巨型導管架平臺也已安裝于墨西哥灣 411 米水深的海域。 1963 年出現(xiàn)了一座大型坐底式平臺 ,其工作水深達 米（ 175 英尺）。 1979 年建成并投入使用的“勝利一號”坐底式平臺是我國設 計、制造的第一座坐底式平臺 ,它的作業(yè)水深范圍為 2~5米。在 70年代 ,為了滿足全世界勘探的需要 ,自升式鉆井平臺的數(shù)量迅速增加 ,到 70 年代末 ,自升式鉆井平臺占移動式鉆井裝置的總數(shù)的一半。在此期間 ,運動補償裝置的使用提高了鉆井效率?；炷林亓κ狡脚_的安裝水深也在逐漸增大 ,由最初的 70 米水深已發(fā)展到 305 米水深（ 1995 年安裝的 Troll 平臺）。從 1954 年到 70 年代末期 ,基本上各國學者都致力于理論與實驗的概念性的研究。目前已有一座牽索塔式平臺用于墨西哥灣水深 305 米的海域。 MOSS 平臺由 CBS 工程公司于 1987 年首次設計用于墨西哥灣 ,共有 4種型式 ,其中 MOSS Ⅱ型使用最廣 ,已有 80 余座用于該地區(qū)。 MantisⅠ型平臺由 DEG 公司設計 ,也采用鉆井隔水套管作為支柱 ,其適用水深為 9~43米 ,原設計主要用于天然氣生產。這種平臺適用于 30 米以下的淺水域。由于其具有結構簡單 ,制造、安裝方便 ,造價低 等特點 ,目前在北海地區(qū)、美國墨西哥灣、意大利亞得利亞海以及我國的渤海等海域已經得到應用 ,其適用水深可達 40米。 在石油價格不斷上漲以及開發(fā)海上邊際油田需要的推動下 ,簡易平臺（又稱輕型平臺）在國外應運而生 ,迄今應用甚廣 ,并不斷發(fā)展而日趨成熟。由于海洋平臺結構所處的海洋環(huán)境更為惡劣 ,只靠傳統(tǒng)的結構加強措施來抵御外部環(huán)境載荷以滿足結構的可靠性 是很不經濟的 ,如果將結構控制技術引人到海洋平臺結構的振動控制中 ,那么海洋平臺結構的可靠性將得到進一步的提高 ,尤其對于簡易平臺結構來說 ,采用結構控制技術可以使其結構型式更趨簡單、合理 ,因而可以獲得更大的經濟效益。我國東南沿海夏季受臺風的威脅較大；北部沿海冬季受蒙古及西伯利亞寒流影響較大，風力最大可達 12 級，其風速約為 1060 帕。然而，潮汐不會發(fā)生，所以在本書中不予考慮。周期流是指在一定時間范圍重復出現(xiàn)的具有周期變化規(guī)律的海流，如季風流，潮流等。 （ 2）慣性力：它是水下結構物排出的流體的質量與流體的質點的加速度的乘積的函數(shù)。 海洋石油平臺設計 6 我國海岸線長，有的地區(qū)如北部海域每年最低溫度有時達到 攝氏度，在每年的 12 月至次年 3 月間常發(fā)生冰凍現(xiàn)象。理論模型是基于力學原理對海冰材料，海冰與結構作用方式進行簡化，得到可以求解的力學模型，運用數(shù)學方法求解海冰力。其優(yōu)點是可以處理較復雜的力學模型，對一 些無法用解析法求解得到的模型可以得到數(shù)值解。現(xiàn)場測量即在原型結構上安裝測量海冰力的壓力盒，直接測量海冰作用在真實結構上的海冰力。盡管如此，由于現(xiàn)場測量可以得到各海域真實的冰荷載情況，因此現(xiàn)場數(shù)據(jù)是研究冰荷載的最重要的資料。 1900 年，日本大森房吉教授提出了靜力理論。但是這種方法完全忽略了結構本身動力特性的影響。由美國 ANSYS 軟件公司開發(fā)，是第一個通過 ISO9001 質量認證的分析設計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會 (ASME)、美國核安全局（ NQA）及近一十個專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件，廣泛應用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子 、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學研究。 ANSYS 多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算，如：熱 — 結構耦合、磁 — 結構耦合以及電 — 磁 — 流體 — 熱耦合，在 PC 機上生成的模型同樣可運行于巨型機上，這樣就確保了 ANSYS 對多領域多變工程問題的求解。 ANSYS 軟件的第一個版本僅提供了熱分析及線性結構分析功能，像當時的大多數(shù)程序一樣，它只能是一個批處理程序，且只能在大型計算機上運行。 目前該軟件已發(fā)展到 版本，其功能更加強大，使用更加便利。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。 啟動 ANSYS，進入主界面（如圖 11 所示）以后，程序停留在主程序界面。命令一經執(zhí)行，該命令就會在 LOG 文件中列出，打開輸出窗口可以看到 LOG 文件的內容。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。雙擊實用菜單中的【 Preprocessor】，進入 ANSYS 的前處理模塊。單元類型定義完成后，需要設置相關的單元實常數(shù)（如：梁單元的橫截面面積、慣性矩，管單元的外徑、壁厚等），指定分析中所用到的材料模型以及相關的材料參數(shù)（如：彈性模量、泊松比、密度、屈服極限等）。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱體結構。 ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動和拷貝實體模型圖元的功能。延伸網格劃分可將一個一維網格延伸成一個二維網格。 4）定義邊界條件及約束條件 在上述的有限元模型上，引入實際結構中的邊界條件，自由度之間的耦合關系以及其他的一些約束條件。點擊快捷工具區(qū)的【 SAVEDB】將前處理模塊生成的模型存盤退出【 Preprocessor】，點擊實用菜單項中的【 Solution】進入 分析求解模塊。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。 結構非線性分析：結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。 熱分析：程序可處理熱傳遞的二種基本類型 :傳導、對流和輻射。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率，并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示?？梢詫⒔Y構分析的載荷施加到幾何模型上或者有限元模型上。 3)求解計算 在施加了載荷并設置了相關的分析選項之后，即可調用求解程序開始求解。這些結果包括位移、 溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。 2）時間歷程響應后處理模塊 POST 26 點擊實用菜單項中的【 TimeHist Postprc】選項即可進入時間歷程響應后處理模塊。 綜上所述，對 ANSYS 結構分析的基本過程進行了簡單的介紹，希望讀者能夠對 ANSYS 分析的基本過程有一個初步的認識。 : 水深： 50m 風速： 有效波高： ， 有效波周期： ， 海面流速： ，中部流速： ， 底部流速： 。 （ 2）定義單元類型 單擊菜單路徑【 Main Menu】 【 Peprocessor】 【 Element Type】 【 Add/Edit/Delete】定義 4種單元類型，選取 PIPE20 為 1 號單元， PIPE59 為2 號單元， BEAM4 為 3 號單元， SHELL43 為 4 號單元。再次單擊【 Structural】 【 Density】，彈出密度設置窗口，在【 DENS】選項后的文本框中輸入“ 7850”，單擊【 OK】。 建立關鍵點之后的模型如下圖： 海洋石油平臺設計 17 2）通過關鍵點創(chuàng)建線構成結構框架 連接關鍵點生成平臺結構的桿系框架，通過菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Modeling】 【 Create】 【 Lines】 【 Straight Line】由關鍵點創(chuàng)建線。 1）導管架網格劃分 PIPE20 和 PIPE59 都是用來劃分導管架結構， PIPE20 選用 1 號材料屬性，單元截面由外徑和壁厚確定； PIPE59 采用 2 號材料屬性，由外徑、壁厚及一系列流體參數(shù)確定單元屬性。所有 BEAM4 單元采用 1 號材料屬性， 5 號實常數(shù)，線段網格劃分段數(shù)為 3。所有 SHELL43 單元采用 1 號材料屬性， 6 號實常數(shù)。 （ 2）定義位移邊界條件 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Define Loads】 【 Apply】 【 Structural】 【 Displacement】 【 On Nodes】，彈出節(jié)點拾取對話框，在圖海洋石油平臺設計 21 形顯示區(qū)域用鼠標將導管架底端四節(jié)點全部選上，單擊【 OK】按鈕，彈出位移屬性 設 置 對 話 框 ， 選 中 【 All DOFS 】 ， 單 擊 【 OK 】 按 鈕 退 出 。在求解過程中會看到如圖所示的求解收斂曲線。 2）繪制結構整體變形圖 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Plot Results】 【 Deformed Shape】，在彈出的對話框中選擇【 Def shape only】，顯示結構整體變形圖，如圖所示。 由圖可知，結構的最大應力發(fā)生在樁腿底部位置，為 117MP。 （ 2）設置分析選項 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Analysis Type】 【 Analysis Option】，彈出“ Modal Analysis”對話框，模態(tài)提取方法采用【 Block Lanzcos】，提取模態(tài)數(shù)設為“ 6”。求解完畢后，在“ Note”窗口顯示“ Solution is done！”，單擊【 Close】關閉窗口。 海洋石油平臺設計 28 重復上述操作可以得出其他階模態(tài)振型，如圖所示。 （ 2）求解選項設置 1）設置求解類型 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Analysis Type】 【 New Analysis】，海洋石油平臺設計 31 彈出“ Type of analysis”對話框，選中分析類型為【 Trasient】，分析方法選擇【 Full】，單擊【