【正文】 其中 1 號實(shí)常數(shù)對應(yīng) PIPE16 單元， 2 號實(shí)常數(shù)對應(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)編號對應(yīng)一個(gè)深度下的 Py 曲線數(shù)，其中“ D”對應(yīng) Py 曲線數(shù)據(jù)中的“ y”對應(yīng)，“ F”與“ P”對應(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，對應(yīng)建立 21 個(gè)非線性彈簧單元。 材料參數(shù) 彈性模量： ， 泊松比： ， 密度： 7850kg/m^3。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Time Hist Postproc】 【 Graph Variables】，海洋石油平臺設(shè)計(jì) 34 彈出對話框中， “ 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。 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） 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。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 26 導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(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，它是所有動力學(xué)分析類型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容，其分析結(jié)果可以作為 瞬態(tài)動力分析、諧響應(yīng)分析和譜分析 等其他動力分析的基礎(chǔ)。在求解結(jié)束后，彈出 Solution is done！信息提示框，關(guān)閉。通過菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Meshing】 【 MeshTool】。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。繼續(xù)單擊【 Fluids】 【 Water Table】設(shè)置環(huán)境載荷參數(shù)。 海冰：厚度： 32cm，抗壓強(qiáng)度 1990Kpa。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。在求解過程中，可以通過屏幕窗口獲取計(jì)算過程的一些相關(guān)信息，諸如載荷步、收斂曲線等。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，包括對流換熱效應(yīng)。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。無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)算來組合數(shù)據(jù)集，從而得到一個(gè)實(shí)體模型。這個(gè)模塊主要包含如下的幾個(gè)操作環(huán)節(jié)。如果軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，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)問題的根源。軟件提供了 100 種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 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)以及更多的單元類型被加入到子程序。功能強(qiáng)大、使用靈活。靜力理論不考慮結(jié)構(gòu)物的動力特性。理論上，這種方法得到的海冰力數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，是對海冰力的最好估計(jì)。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程的內(nèi)在規(guī)律，具有重要意義。 （ 3）撞擊力：它是物體撞擊所產(chǎn)生的力，當(dāng)波峰穿過空氣打擊在結(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計(jì)算，有時(shí)采用五分之一。 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，按海洋石油平臺設(shè)計(jì) 5 照其成因可以分為以下幾類： （ 1）風(fēng)海流：由于風(fēng)在海平面吹過，對海面產(chǎn)生切應(yīng)力，使海水產(chǎn)生運(yùn)動，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，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； （ 4）波浪流：在近岸海區(qū)由于波浪引起的海水流動稱為波浪流； （ 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。 海洋環(huán)境荷載 海洋石油的開發(fā)的所有活動都離不開海水存在的環(huán)境，因此對于海洋石油工程結(jié)構(gòu)物而言，就要受到來自海洋各種環(huán)境荷載的影響。 人們對海上油氣資源需求的不斷增加 ,促使海洋平臺結(jié)構(gòu)不斷地向前發(fā)展。平臺可以支持一個(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。 海上油氣資源的開發(fā)在不斷向深海進(jìn)軍的同時(shí) ,淺海邊際油氣資源的開發(fā)利用也引起了人們的日益關(guān)注 ,研究和開發(fā)適合于淺海邊際油氣資源開發(fā)的固定式簡易平臺得到了廣泛的重視。 張力腿平臺的研究始于 1954 年， R而到了 1985 年 ,此比例已達(dá)到 60%，自升式鉆井平臺的最大工作水深已達(dá) 米（ 450英尺）。此后 10 年中 ,坐底式平臺沒有發(fā)展。塔體是一個(gè)類似于導(dǎo)管架的空間鋼架結(jié)構(gòu) ,牽索則圍繞著塔體對稱布置 ,牽索系統(tǒng)可以吸 收由外力產(chǎn)生的能量以保證塔體的運(yùn)動幅度在規(guī)定的范圍內(nèi)。它漂浮于水面作業(yè) ,能適應(yīng)更大的水深 ,同時(shí)它的移動性能最好 ,便于自航。用于海上油氣資源勘探與開發(fā)的洋平臺按功能劃分主要分為鉆井平臺和生產(chǎn)平臺兩大類 ,在鉆井平臺上設(shè)有鉆井設(shè)備 ,在生產(chǎn)平臺上則設(shè)有采油設(shè)備。若按結(jié)構(gòu)型式及其特點(diǎn)來劃分 ,海洋平臺大致可分為三大類固定式平臺、移動式平臺和順應(yīng)式平臺。但由于它在波浪上的運(yùn)動響應(yīng)大 ,稍有風(fēng)浪就會引起很大的運(yùn)動 ,使鉆井作業(yè)無法再進(jìn)行下去 ,風(fēng)浪更大時(shí)船還得離開井位 ,這是鉆井船得不到大發(fā)展的主要原因；半潛式平臺是由坐底式平臺演變而來的 ,它上有平臺甲板 ,在水面以上不受波浪侵襲 ,下有浮體 ,沉于水面以下以減小波浪的擾動力 ,連接于其間的是小水線面的立柱。 海洋平臺的建造歷史可以追溯到 1887 年在美國加里福尼亞所建造的第一座用于鉆探海底石油的木質(zhì)平臺。直到 1973~1974 年間 ,由于原油價(jià)格暴漲 ,人們對適合于水深小于 30 米的淺水區(qū)工作的坐底式平臺的需求再一次表現(xiàn)出來 ,于是在 70 年代后半期又建造了一些坐底式平臺 ,此后又趨冷落。 1962 年出現(xiàn)的第一座半潛式平臺是由一帶有穩(wěn)定立柱的坐底式平臺改建而成 ,60 年代共建造了大約 30座半潛式平臺。 O自 80 年代以來 ,簡易平臺的應(yīng)用日趨廣泛 ,墨西哥灣地區(qū)尤為突出。 MantisⅠ型平臺具有較高的剛性 ,除兩根斜撐的樁用整體底座固聯(lián)為一體外 ,各主要節(jié)點(diǎn)均不用卡裝或銷接等機(jī)械聯(lián)接方式。今后一段時(shí)間 ,海洋平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究。下面簡要對海洋結(jié)構(gòu)物所受到的風(fēng)、海流、波浪、海冰以及地震等基本理論進(jìn)行介紹。入海后繼續(xù)向河口方向 或沿海區(qū)延伸而形成的海流； （ 6）定常流：周期性流和短期流按照海流隨時(shí)間變化而劃分，則可分為定常流，周期流和短期流。 （ 4）壓差力：這種力是由于海水通過沉沒水中的物體的壓力差所造成的，當(dāng)有沉沒于水中的物體時(shí)，還是很重要的一種力，經(jīng)驗(yàn)表明：壓差力等于靜壓差的一 半與投影面積的乘積。但由于自然界中海冰材料物理力學(xué)行為的復(fù)雜性，海冰與結(jié)構(gòu)接觸過程和邊界條件的復(fù)雜性，建立合適的理論模型并求解具有很大的難度。但是，由于現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣，設(shè)計(jì)合適的壓力傳感器有很大難度。假設(shè)結(jié)構(gòu)物為絕對剛性，地震時(shí)結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動與地面運(yùn)動完全一致，結(jié)構(gòu)物的最大加速度等于地面運(yùn)動的最大加速度 。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)（如 Windows、 UNIX、 Linux）中運(yùn)行，從 PC 機(jī)到工作站直至巨型計(jì)算機(jī) ， ANSYS 文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。70 年代末，交互方式的 加入是該軟件最為顯著的變化，它大大地簡化了模型生成和結(jié)果評價(jià)。 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分海洋石油平臺設(shè)計(jì) 8 析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。 LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由 ANSYS 自動讀入執(zhí)行，這是 ANSYS 軟件的第二種命令輸入方式。 1）分析環(huán)境設(shè)置 進(jìn)入 ANSYS 分析環(huán)境界面后，指定分析的工作名稱以及圖形顯示的標(biāo)題，開始一個(gè)新的結(jié)構(gòu)分析。 ANSYS 程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、 相減、相交、分割、粘結(jié)和重桑。 ANSYS 程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。 1） 設(shè)定分析類型 ANSYS 軟件提供的分析類型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析：用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。 動力學(xué)分析： ANSYS 程序可以分析大型二維柔體運(yùn)動。 在選定分析類型后，需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，比如分析所用到的求解器類型、非線性選項(xiàng)和迭代次數(shù)設(shè)置、模態(tài)分析的模態(tài)提取方法和模態(tài)擴(kuò)展數(shù)的等各種分析選項(xiàng)。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 11 (3)后處理過程 ANSYS 軟件的后處理過程包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊 POST1 和時(shí)間歷程后處理模塊 POST26。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看，繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。 序號 名稱 直徑 壁厚 1 泥面上導(dǎo)管架主導(dǎo)管 2 泥面下導(dǎo)管架主導(dǎo)管 3 甲板部分主導(dǎo)管 4 導(dǎo)管架層間橫支撐 5 導(dǎo)管架斜支撐 6 甲板部分梁結(jié)構(gòu) 截面面積 截面長 截面寬 7 甲板 厚度 長 *寬 30*20 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 13 （ 1）設(shè)置工作環(huán)境 進(jìn)入 ANSYS/Multiphysics 的程序界面后，通過常用菜單路徑【 Utility Menu】 【 File】 【 Change Job name】 ,指定分析的工作名稱為“ Platform”，將“ New log and error files？”選項(xiàng)設(shè)置為【 yes】， 點(diǎn)擊【 OK】按鈕，通過菜單項(xiàng)【 Utility Menu】 【 File】 【 Change Title】 ,指定圖形顯示區(qū)域的標(biāo)題為“ Analysis of Platform”。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 16 （ 5）幾何模型建立 建立海洋平臺的幾何模型主要分為三個(gè)步驟，即創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)、連線構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架和生成甲板平面。通過菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Meshing】 【 Mesh Tool】。 為了便于觀察，選取菜單路徑【 Utility Menu】 【 PlotCtrls】 【 Style】 【 Size and Shape】，彈出“ Size and Shape”對話框，打開“ Display of element shapes on real constant descriptions”選項(xiàng)，模型將以實(shí)際形狀顯示。單擊【 Main Menu】 【 Finish】菜單項(xiàng)，退出求解計(jì)算模塊。因此本節(jié)將對所建立的導(dǎo)管架平臺 進(jìn)行模態(tài)分析。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 27 2）讀入結(jié)果文件 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Read Results】 【 First Set】，讀入第 1載荷子步的計(jì)算結(jié)果。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 32 （ 3）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(diǎn)拾取對話框，在圖形顯示區(qū)域用鼠標(biāo)將導(dǎo)管架底端四節(jié)點(diǎn)全部選上，單擊【 OK】按鈕，彈出位移屬海洋石油平臺設(shè)計(jì) 33 性設(shè)置對話框，選中【 All DOFS】，單擊【 OK】按