【正文】 4 年出現(xiàn)了第一座自升式鉆井平臺(tái)—— “加里福尼亞號(hào)”。而到了 1985 年 ,此比例已達(dá)到 60%，自升式鉆井平臺(tái)的最大工作水深已達(dá) 米（ 450英尺）。80年代 ,半潛式平臺(tái)的最大工作水深能力為 3048米 ,半潛式平臺(tái)已開(kāi)創(chuàng)了在北緯60176。 張力腿平臺(tái)的研究始于 1954 年， R 70 年代末期以后 ,各國(guó)學(xué)者才真正致力于工程性的研究和實(shí)施。 海上油氣資源的開(kāi)發(fā)在不斷向深海進(jìn)軍的同時(shí) ,淺海邊際油氣資源的開(kāi)發(fā)利用也引起了人們的日益關(guān)注 ,研究和開(kāi)發(fā)適合于淺海邊際油氣資源開(kāi)發(fā)的固定式簡(jiǎn)易平臺(tái)得到了廣泛的重視。 MOSS Ⅱ型平臺(tái)用鉆井隔水套管作支柱并有兩根斜撐在水面上加以支持 ,斜撣在泥線處用樁固定于海床 ,這種結(jié)構(gòu)的適用水深可達(dá) 45米。平臺(tái)可以支持一個(gè) 223平方米的甲板 ,以及一個(gè) 58平方米的標(biāo)準(zhǔn)直升機(jī)甲板。 Seashore 平臺(tái)于 1984 年首次用于墨西哥灣 ,此后又用于北海南部海域以及東南亞 ,迄今已有 150 余座投人使用 ,其最大特點(diǎn)是用金字塔形的水下構(gòu)架和寬大的底座。 人們對(duì)海上油氣資源需求的不斷增加 ,促使海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)不斷地向前發(fā)展。我國(guó)正在開(kāi)始大規(guī)模的灘海油田開(kāi)發(fā) ,其中不乏分散而且小塊的邊際性油田。 海洋環(huán)境荷載 海洋石油的開(kāi)發(fā)的所有活動(dòng)都離不開(kāi)海水存在的環(huán)境，因此對(duì)于海洋石油工程結(jié)構(gòu)物而言，就要受到來(lái)自海洋各種環(huán)境荷載的影響。例如， 1978 年 9月 25日，我國(guó)南海二號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)正在臺(tái)風(fēng)中心附近，當(dāng)時(shí)平均風(fēng)速達(dá) 50 節(jié)二最大風(fēng)速達(dá) 82 節(jié)。 海水水平或豎直的從某一海區(qū)流向另一海區(qū)的大規(guī)模質(zhì)量轉(zhuǎn)移稱為海流，按海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 5 照其成因可以分為以下幾類(lèi)： （ 1）風(fēng)海流：由于風(fēng)在海平面吹過(guò)，對(duì)海面產(chǎn)生切應(yīng)力，使海水產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，稱為風(fēng)海流； （ 2）梯度流：梯度流是等壓面發(fā)生傾斜時(shí)，水平壓強(qiáng)梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力達(dá)到平衡時(shí)的穩(wěn)定 海流； （ 3）潮流：潮流是潮汐中水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，亦即在 水平引潮力作用和潮汐漲落同時(shí)發(fā)生的海水 在水平方向上的周期性的流動(dòng)； （ 4）波浪流：在近岸海區(qū)由于波浪引起的海水流動(dòng)稱為波浪流； （ 5）入海徑流：由于融并或大量降雨等原因而顯著增加的河川徑流。短期流是指由于短暫的外界 條件變化而引起的偶然性的海流，如氣旋通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)海流和氣壓梯度流等； （ 7）暖流和寒流：溫度較周?chē)疄楦?，向周?chē)鷤魉突騻鞑崮艿暮Ａ鞣Q為暖流，反之，稱為寒流； （ 8）鹽水流和淡水流：鹽度較周?chē)叩暮Ａ鞣Q為鹽水流。 （ 3）撞擊力：它是物體撞擊所產(chǎn)生的力，當(dāng)波峰穿過(guò)空氣打擊在結(jié)構(gòu)物上，發(fā)生沖擊或波浪破碎時(shí)引起的突然沖擊的載荷，這時(shí)由于空氣被波浪所包圍，不斷壓縮常使之爆炸，發(fā)出轟鳴聲，撞擊力一般可按總阻力在波峰部的慣性力的幾分之幾來(lái)計(jì)算，有時(shí)采用五分之一。因此在進(jìn)行海洋石油結(jié)構(gòu)物計(jì)算時(shí)還要考慮冰壓力的作用。如果假設(shè)合理，模型建立適當(dāng)，理論模型分析可以揭示物理過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律，具有重要意義。但是目前這一方法在冰載荷分析中運(yùn)用的還不夠多。理論上，這種方法得到的海冰力數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，是對(duì)海冰力的最好估計(jì)。工程界對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的結(jié)論十分重視，在各個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，基本都采用了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的結(jié)論。靜力理論不考慮結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性。因?yàn)橹挥挟?dāng)結(jié)構(gòu)的基本固有周期比地面運(yùn)動(dòng)周期小得多時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震時(shí)才有可能不產(chǎn)生變形而被視為剛體。功能強(qiáng)大、使用靈活。 ANSYS 的發(fā)展歷史 ANSYS 公司從建立之初到現(xiàn)在，已經(jīng)歷將近 40 年的歷史。 20 世紀(jì) 70 年代初， ANSYS 軟件中融入了新的技術(shù)以及用戶的要求，從而使程序發(fā)生了很大的變化，非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類(lèi)型被加入到子程序。ANSYS 分析模擬工具易于使用、支持多種工作平臺(tái)。軟件提供了 100 種以上的單元類(lèi)型，可以用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。從主菜單可以進(jìn)入各處理模塊： PRE7（通用前處理模塊）， SOLUTION（求解計(jì)算模塊）， POST 1（通用后處理模塊）， POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。如果軟件運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，查看 .LOG 文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的根源。 了解 ANSYS 的基本知識(shí)之后，下面就來(lái)介紹在 ANSYS 中進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析的一般流程 。這個(gè)模塊主要包含如下的幾個(gè)操作環(huán)節(jié)。 3）建立幾何模型及網(wǎng)格劃 分 建立幾何模型就是要建立一個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)外形大致相同（程度由結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化原則而定）的幾何圖形元素組合體。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而得到一個(gè)實(shí)體模型。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過(guò)拖拉與旋轉(zhuǎn)生成而和體、線與而的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除等操作。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。 注意：定義邊界條件及約束條件也可以在求解模塊中設(shè)置。在該階段，用戶可以定義分析類(lèi)型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開(kāi)始有限元求解。 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。熱傳遞的二種類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。另外，還可以使用二維表而效應(yīng)單元和熱 — 流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流，包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 施加在幾何模型上的載荷是獨(dú)立于有限元網(wǎng)格的，當(dāng)在劃分網(wǎng)格時(shí)，是不會(huì)影響到已近施加的載荷的。在求解過(guò)程中，可以通過(guò)屏幕窗口獲取計(jì)算過(guò)程的一些相關(guān)信息，諸如載荷步、收斂曲線等。 1）通用后處理模塊 POST 1 單擊菜單項(xiàng)中的【 General Postproc】選項(xiàng)即可進(jìn)入通用后處理模塊。這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或一個(gè)子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支座反力。 海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 12 第二章 導(dǎo)管架平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)分析 導(dǎo)管架平臺(tái)簡(jiǎn)介 本節(jié)以海洋石油導(dǎo)管架平臺(tái)為對(duì)象，采用 GUI 菜單操作和命令流相結(jié)合的方式，詳細(xì)介紹了 ANSYS 建立海洋平臺(tái)有限元模型的全過(guò)程，針對(duì)海洋平臺(tái)的各種環(huán)境載荷，采用相應(yīng)的 ANSYS 分析類(lèi)型分別進(jìn)行計(jì)算，目的是希望通過(guò)具體實(shí)例，加者對(duì) ANSYS 結(jié)構(gòu)整體分析的理解，以及對(duì)復(fù)雜海洋結(jié)構(gòu)物分析的方法。 海冰：厚度： 32cm，抗壓強(qiáng)度 1990Kpa。 海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 14 （ 3）定義單元實(shí)常數(shù) 單擊菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Real Constants】 【 Add/Edit/Delete】， 定義 6 組實(shí)常數(shù)，其中實(shí)常數(shù) 1 針對(duì) PIPE20 單元，實(shí)常數(shù) 2~4 針對(duì) PIPE59 單元，實(shí)常數(shù) 5 針對(duì) BEAM4 單元，實(shí)常數(shù) 6 針對(duì)SHELL63 單元。繼續(xù)單擊【 Fluids】 【 Water Table】設(shè)置環(huán)境載荷參數(shù)。 3）生成甲板平面 每層甲板平面由 9 個(gè)矩形平面組成，矩形位置和尺寸由甲板關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)確定。不同規(guī)格的桿件需要結(jié)合相應(yīng)的實(shí)常數(shù)，所有被劃分線段的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù) NDIV 為 1。通過(guò)菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Meshing】 【 MeshTool】。通過(guò)菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Meshing】 【 MeshTool】。 （ 3）施加載荷 1）施加波流載荷：按波流同方向作用于結(jié)構(gòu)物，波浪相位角為 46176。在求解結(jié)束后，彈出 Solution is done！信息提示框，關(guān)閉。 海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 24 3）繪制結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移等值線云圖 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Plot Results】 【 Contour Plot】 【 Nodal Solu】， 彈出“ Contour Nodal Solution Data”對(duì)話框，依次單擊【 Nodal Solution】 【 DOF Solution】 【 Displacement vector sum】，單擊【 OK】按鈕，顯示如圖所示的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移等值線云圖。 海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 26 導(dǎo)管架平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種技術(shù)，主要是求解結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型以及振型參與系數(shù)等，它是所有動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容，其分析結(jié)果可以作為 瞬態(tài)動(dòng)力分析、諧響應(yīng)分析和譜分析 等其他動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。 （ 3）擴(kuò)展模態(tài)設(shè)置 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Load Step Opts】 【 ExpansionPass】 【 Single Expand】 【 Expand Modes】， 彈出“ Expand Nodes”對(duì)話框，模態(tài)擴(kuò)展數(shù)設(shè)為“ 6”。 1） 觀察模型固有頻率 進(jìn)入通用后處理器 POST1，選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Results Summary】，觀察模型的固有頻率，結(jié)果如圖所示。 海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 29 海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 30 波浪作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力分析 進(jìn)行睡態(tài)動(dòng)力分析所采用的結(jié)構(gòu)有限元模型與模態(tài)分析時(shí)完全相同。 2）求解控制項(xiàng)設(shè)置 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Analysis Type】 【 Sol’ n Controls】，彈出“ Solution Controls”對(duì)話框，在【 Basic】選項(xiàng)下的【 Analysis Options】選中“ Large Displacement Transient”，然后選中【 Trasient】，在【 Damping Coefficients】選項(xiàng)下的【 ALPHA】后輸入“ ”，在【 BETA】后輸入“ ”，其他選項(xiàng)默認(rèn)，單擊【 OK】按鈕退出，如圖 711 所示。 1）進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器 POST26 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 TimeHist Postpro】，進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器 2）定義時(shí)間歷程后處理變量 選擇【 Main Menu】 【 TimeHist Postpro】 【 Define Variables】，在彈出的“ Define TimeHistory Variables”對(duì)話框中，單擊【 Add】按鈕，出現(xiàn)“ Add TimeHistory Variables”對(duì)話框，選中【 Nodal DOF Result】，單擊【 OK】按鈕，出現(xiàn)的“ Define Nodal Data”對(duì)象拾取框中，選中【 List of Items】， 在文本框中輸入“ 1173”，即平臺(tái)頂端甲板中心，然后單擊【 OK】按鈕。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Time Hist Postproc】 【 Graph Variables】，海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì) 34 彈出對(duì)話框中， “ NVAR1”文本框中輸入“ 2”，單擊【 OK】按鈕，則可繪制時(shí)間 — 位移曲線，如圖所示。出現(xiàn)“ Define Element Results by Seq No.”對(duì)話框，在【 Name】 一欄中輸入“ STRESS”，在【 Item】選項(xiàng)后的列表中選擇【 SMISC】，在【 Comp Sequence number】一欄中輸入“ 15”，其他選項(xiàng)默認(rèn)，單擊【 OK】退出。 材料參數(shù) 彈性模量： ， 泊松比： ， 密度： 7850kg/m^3。通過(guò)菜單項(xiàng)【 Utility Menu】 【 File】 【 Change Title】 ,指定圖形顯示區(qū)域的標(biāo)題為“ Analysis of Pilesoil interaction”。 其中 1 號(hào)實(shí)常數(shù)對(duì)應(yīng) PIPE16 單元， 2 號(hào)實(shí)常數(shù)對(duì)應(yīng) PIPE59 單元，接著需要定義 21 個(gè) COMBIN39 的單元實(shí)常數(shù)，選擇菜單路徑【 Main Menu 】 【 Preprocessor】 【 Real Constants】 【 Add/Edit/Delete...】 ,彈出“ Element Type for Real Constants”對(duì)話框，單擊【 Add...】按鈕，選擇“ Type 3 COMBIN39”，單擊【 OK】，彈出如圖 55 所示的“ DF”實(shí)常數(shù)設(shè)置，每一個(gè)實(shí)常數(shù)編號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)深度下的 Py 曲線數(shù)，其中“ D”對(duì)應(yīng) Py 曲線數(shù)據(jù)中的“ y”對(duì)應(yīng)，“ F”與“ P”對(duì)應(yīng)，設(shè)置一個(gè)單元實(shí)常數(shù)之后，單擊【 Apply】按鈕，進(jìn)行下一個(gè)“ DF”實(shí)常數(shù)的輸入，共定義 21 組，對(duì)應(yīng)建立 21 個(gè)非線性彈簧單元。 1）建立單元節(jié)點(diǎn) 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Modeling】 【 Create】 【 Nodes】 【 In Acti ve Cs】，將出現(xiàn)如圖 57 所示的對(duì)話框，建立位于樁腿頂部的節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為“ 1