【導讀】《海洋石油平臺設計》課程設計。第三章平臺樁腿與海底土相互作

　　

【正文】 rme Shape】， 顯示一階模態(tài)振型，如下圖 為了便于觀察，建議選擇菜單路徑【 Utility Menu】 【 PlotCtrls】 【 Style】 【 Size and Shape】，在“ Szie and Shape”對話框打開“ Display of element shapes based on real constant descriptions”選項，以便在圖形窗口以單元實際截面形狀顯示模型的模態(tài)振型。 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。 海洋石油平臺設計 29 海洋石油平臺設計 30 波浪作用下平臺結構瞬態(tài)動力分析 進行睡態(tài)動力分析所采用的結構有限元模型與模態(tài)分析時完全相同。由模態(tài)分析所得到的阻尼系數進行瞬態(tài)動力分析，時程分析取作用時間為 100s，時間間隔 。 （ 1）波流參數修改 由于是分析波載載荷所引起的水動力效應，因此將波浪的相位角設置為 0 度，選擇【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Material Props】 【 Material Models】，在彈出的“ Define Material Model Behavior”對話框中，選 擇【 Water Table】選項，單擊打開，將原來靜力分析所輸入的波浪相位角 46 度改為 0 度，單擊【 OK】按鈕退出。 （ 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【 OK】按鈕退出。 2）求解控制項設置 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Analysis Type】 【 Sol’ n Controls】，彈出“ Solution Controls”對話框，在【 Basic】選項下的【 Analysis Options】選中“ Large Displacement Transient”，然后選中【 Trasient】，在【 Damping Coefficients】選項下的【 ALPHA】后輸入“ ”，在【 BETA】后輸入“ ”，其他選項默認，單擊【 OK】按鈕退出，如圖 711 所示。 海洋石油平臺設計 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)點拾取對話框，在圖形顯示區(qū)域用鼠標將導管架底端四節(jié)點全部選上，單擊【 OK】按鈕，彈出位移屬海洋石油平臺設計 33 性設置對話框，選中【 All DOFS】，單擊【 OK】按鈕退出。 （ 4）施加重力載荷 單擊菜單【 Main Menu】 【 Solution】 【 Define Loads】 【 Apply】 【 Structural】 【 Inertia】 【 Gravity】 【 Global】，彈出“ Apply (Gravitational) Acceleration”屬性值設置對話框，在“ ACELX， ACELY， ACELZ”中依次輸入“ 0，0， ”。 （ 5）求解 設置時程分析結束時間為 100s，時間間隔為 。 1）進入時間歷程后處理器 POST26 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 TimeHist Postpro】，進入時間歷程后處理器 2）定義時間歷程后處理變量 選擇【 Main Menu】 【 TimeHist Postpro】 【 Define Variables】，在彈出的“ Define TimeHistory Variables”對話框中，單擊【 Add】按鈕，出現“ Add TimeHistory Variables”對話框，選中【 Nodal DOF Result】，單擊【 OK】按鈕，出現的“ Define Nodal Data”對象拾取框中，選中【 List of Items】， 在文本框中輸入“ 1173”，即平臺頂端甲板中心，然后單擊【 OK】按鈕。出現“ Define Nodal Data”對話框，在【 Name】一欄中輸入“ UX”，在【 Item， Comp】選項后的列表中選擇【 DOF solution】 【 Translation UX】，其他選項默認，單擊【 OK】退出。 3）繪制時程 — 位移曲線 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 TimeHist Postproc】 【 Settings】 【 Graph】，定義橫向（ X）坐標為時間，在“ Graph Settings”對話框中的【 XVAR】 (Xaxis variables)選項后選中【 Single variable】，在【 Single variable No.】文本框中輸入“ 1”，單擊【 OK】按鈕退出該對話框。 選擇菜單路徑【 Utility Menu】 【 PlotpCtrls】 【 Style】 【 Graphs】 【 Modify Axes】， 在彈出的對話框中輸入圖形顯示的橫、縱坐標的標題，分別為“ TIME”和“ UX”，單擊【 OK】按鈕退出。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Time Hist Postproc】 【 Graph Variables】，海洋石油平臺設計 34 彈出對話框中， “ NVAR1”文本框中輸入“ 2”，單擊【 OK】按鈕，則可繪制時間 — 位移曲線，如圖所示。 4）繪制結構主導管腿處反力 — 時程曲線 選擇【 Main Menu】 【 TimeHist Postpro】 【 Define Variables】，在彈出的“ Define TimeHistoryVariables”對話框中，單擊【 Add】按鈕，出現“ Add TimeHistory Variables”對話框，選中【 Reaction force】，單擊【 OK】按鈕，彈出對象拾取框中，選中【 List of Items】，在文本框中輸入“ 125”，即主導管處節(jié)點編號，然后單擊【 OK】按鈕。 選擇菜單路徑【 Utility Menu】 【 PlotpCtrls】 【 Style】 【 Graphs】 【 Modify Axes】， 在彈出的對話框中輸入圖形顯示的橫、縱坐標的標題，分別為“ TIME”和“ Reforce”，單擊【 OK】按鈕退出。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 TimeHist Postproc】 【 Graph Variables】，彈出對話框中，“ NVAR1”文本框中輸入“ 3”，單擊【 OK】按鈕，則可繪制時間— 反力曲線 ,如下圖： 海洋石油平臺設計 35 5）繪制結構弱點處的應力 — 時程曲線 選擇【 Main Menu】 【 TimeHist Postpro】 【 Define Variables】，在彈出的“ Define TimeHistory Variables”對話框中，單擊【 Add】按鈕，出現“ Add TimeHistory Variables”對話框，選中【? by set no. 】，單擊【 OK】按鈕，彈出對象拾取框中，選中【 List of Items】，在文本框中輸入“ 125”，即連接點處節(jié)點編號，然后單擊【 OK】按鈕。出現“ Define Element Results by Seq No.”對話框，在【 Name】 一欄中輸入“ STRESS”，在【 Item】選項后的列表中選擇【 SMISC】，在【 Comp Sequence number】一欄中輸入“ 15”，其他選項默認，單擊【 OK】退出。 選擇菜單路徑【 Utility Menu】 【 PlotpCtrls】 【 Style】 【 Graphs】 【 Modify Axes】， 在彈出的對話框中輸入圖形顯示的橫、縱坐標的標題，分別為“ TIME”和“ STRESS”，單擊【 OK】按鈕退出。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 TimeHist Postproc】 【 Graph Variables】，彈出對話框中，“ NVAR1”文本框中輸入“ 4”，單擊【 OK】按鈕，則可繪制時間— 應力曲線，如圖： 海洋石油平臺設計 36 海洋石油平臺設計 37 第三章 平臺樁腿與海底土相互作用模擬 基礎數據 本節(jié)以潿洲海域某單腿平臺為例，詳細介紹考慮樁土相互作用下平臺樁腿力學分析的 ANSYS 操作過程。平臺基本參數如下： 樁腿尺寸 外徑： 1524mm， 壁厚： 54mm。 材料參數 彈性模量： ， 泊松比： ， 密度： 7850kg/m^3。 環(huán)境參數 水深： 28m，海面以上高度： 15m，風速： 46m/s， 有效波高： ， 有效波周期： 10s， 海面流速： ，中部流速： m/s， 底部流速： m/s。 平臺載荷： 200T 海洋石油平臺設計 38 前處理過程 （ 1）設置工作環(huán)境 進入 ANSYS/Multiphysics 的程序界面后，通過常用菜單路徑【 Utility Menu】 【 File】 【 Change Jobname】 ,指定分析的工作名稱為“ Pilesoil interaction”，將“ New log and error files？”選項設置為【 yes】，點擊【 OK】按鈕。在命令流窗口輸入“ /UNIT,SI”，定義國際單位制。通過菜單項【 Utility Menu】 【 File】 【 Change Title】 ,指定圖形顯示區(qū)域的標題為“ Analysis of Pilesoil interaction”。 （ 2）定義單元類型 設置完成后，點擊菜單項【 Main Menu】 【 Preprocesso】進入前處理器 PREP7 開始建模以及其他的前處理操作。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Element Type】 【 Add/Edit/Delete...】， 定義 3 種單元類型。 海洋石油平臺設計 39 （ 3）設置單元實常數 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，設置管單元實常數。 其中 1 號實常數對應 PIPE16 單元， 2 號實常數對應 PIPE59 單元，接著需要定義 21 個 COMBIN39 的單元實常數，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”實常數設置，每一個實常數編號對應一個深度下的 Py 曲線數，其中“ D”對應 Py 曲線數據中的“ y”對應，“ F”與“ P”對應，設置一個單元實常數之后，單擊【 Apply】按鈕，進行下一個“ DF”實常數的輸入，共定義 21 組，對應建立 21 個非線性彈簧單元。 （ 4）設置材料參數 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Material Props】 【 Material Models】 ,將出現“ Define Material Model Behavior”對話框，在窗口的右側，依次單擊【 Structural】 【 Linear】 【 Elastic】 【 Isotropic】，在出現的對話框中輸入材料彈性模量“ ”以及泊松比“ ”，單擊 OK 按鈕，繼續(xù)返回點擊【 Density】彈出密度設置窗口，設置密度為“ 7850”。單擊【 Fluids】 【 Water Table】按照圖 56 所示設置環(huán)境載荷參數。 海洋石油平臺設計 40 海洋石油平臺設計 41 （ 5）建立幾何模型 本例將采用直接通過建立節(jié)點的方法建立有限元模型。 1）建立單元節(jié)點 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Modeling】 【 Create】 【 Nodes】 【 In Acti ve Cs】，將出現如圖 57 所示的對話框，建立位于樁腿頂部的節(jié)點，編號為“