【正文】 單擊【 Fluids】 【 Water Table】按照圖 56 所示設(shè)置環(huán)境載荷參數(shù)。 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Element Type】 【 Add/Edit/Delete...】， 定義 3 種單元類型。 平臺載荷： 200T 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 38 前處理過程 （ 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 Jobname】 ,指定分析的工作名稱為“ Pilesoil interaction”，將“ New log and error files？”選項(xiàng)設(shè)置為【 yes】，點(diǎn)擊【 OK】按鈕。 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(shí)間— 應(yīng)力曲線，如圖： 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 36 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 37 第三章 平臺樁腿與海底土相互作用模擬 基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 本節(jié)以潿洲海域某單腿平臺為例，詳細(xì)介紹考慮樁土相互作用下平臺樁腿力學(xué)分析的 ANSYS 操作過程。 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(biāo)的標(biāo)題，分別為“ TIME”和“ Reforce”，單擊【 OK】按鈕退出。 3）繪制時(shí)程 — 位移曲線 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 TimeHist Postproc】 【 Settings】 【 Graph】，定義橫向（ X）坐標(biāo)為時(shí)間，在“ Graph Settings”對話框中的【 XVAR】 (Xaxis variables)選項(xiàng)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。 （ 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(shè)置對話框，在“ ACELX， ACELY， ACELZ”中依次輸入“ 0，0， ”。 （ 1）波流參數(shù)修改 由于是分析波載載荷所引起的水動力效應(yīng)，因此將波浪的相位角設(shè)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(xiàng)，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。 3）觀察模態(tài)振型 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Plot Results】 【 Deforme 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(xiàng)，以便在圖形窗口以單元實(shí)際截面形狀顯示模型的模態(tài)振型。 （ 5）模態(tài)分析求解 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Solve】 【 Current LS】，彈出“ Solve Current Load Step”對話框，單擊【 OK】，開始計(jì)算模態(tài)解。 （ 1）設(shè)定模態(tài)分析類型 重新進(jìn)入 ANSYS 求解器，選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Analysis Type】 【 New Analysis】，設(shè)置分析類型為【 Modal】。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 25 4）繪制單元應(yīng)力等值線云圖 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Plot Results】 【 Contour Plot】 【 Element Solu】，彈出“ Contour Element Solution Data”對話框，依次單擊【 Element Solution】 【 Stress】 【 von Mises stress】，單擊【 OK】按鈕，如圖 911 所示顯示結(jié)構(gòu)的米塞斯等效應(yīng)力云圖。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 23 靜力結(jié)果分析 1）讀入結(jié)果文件 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 General Postproc】 【 Read Results】，單擊【 Last Set】， 讀入最后一個(gè)子步的結(jié)果文件。 （ 4）靜力分析求解 通過菜單項(xiàng)【 Main Menu】 【 Solution】 【 Solve】 【 Current LS】，對問題進(jìn)行求解。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 20 、波流耦合作用下導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)靜力分析 （ 1）設(shè)置分析類型 選擇菜單路徑【 Main Menu】 【 Solution】 【 Analysis Type】 【 New Analysis】，選擇“ Static”，點(diǎn)擊【 OK】按鈕退出。 3）甲板平面網(wǎng)格劃分 SHELL63 單元用來劃分甲板平面。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 19 2）甲板平面梁網(wǎng)格劃分 BEAM4 單元用來劃分甲板梁。生成甲板平面之后的模型： 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 18 平臺有限元模型劃分 在第 2 步的單元類型定義中，定義了 PIPE PIPE5 BEAM SHELL43 四種單元類型，分別用來劃分導(dǎo)管架、甲板平面梁框架和甲板，下面按照這四種單元的順序?qū)Y(jié)構(gòu)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格生成有限元模型。 1）創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn) 通過菜單路徑【 Main Menu】 【 Preprocessor】 【 Modeling】 【 Create】 【 Keypoint】 【 In Active CS】創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)。然后單擊【 OK】按鈕，彈出如圖 68 所海洋石油平臺設(shè)計(jì) 15 示的材料屈服強(qiáng)度設(shè)置窗口，在【 Yield Stss】項(xiàng)后的文本框中輸入“ 360E6”，在【 Tang Mod】項(xiàng)后的文本框中輸入“ 0”，表示采用的材料為理想彈塑性模型。在命令流窗口輸入“ /UNIT,SI”，定義國際單位制。建模過程中，采用 APDL 命令流和 GUI 菜單相結(jié)合的方式。另外， POST26 還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算。用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū) (如應(yīng)力范圍 )，清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。通過友好的用戶界而，可以很容易獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。對于施加在幾何實(shí)體模型上的載荷， ANSYS 程序?qū)⒆詣訉⑵滢D(zhuǎn)換到有限元模型上進(jìn)行求解。 2）定義載荷信息 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析的載荷包括位移載荷、集中力（包括彎矩）、表面載荷、體積載荷、慣性力以及耦合場載荷（如熱應(yīng)力）等。 流體動力學(xué)分析： ANSYS 流體單元能進(jìn)行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。當(dāng)運(yùn)動的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析 復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動特性，確定結(jié)構(gòu)中山此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。 ANSYS 可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括 :瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)分析。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響不顯著的問題。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 10 (2)求解過程 前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差 ，直到誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。 ANSYS 程序提供使用便捷、高質(zhì)量的對 CAD 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分功能，包括四 種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對線、面、體、基元的布爾操作能減少大量的建模工作量。 自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。 2）定義單元類型、實(shí)常數(shù)及材料模型 定義在分析過程中需要用到的單元類型，對于單元類型的選擇，一般要結(jié)合工程實(shí)際情況及 ANSYS 單元庫相應(yīng)單元的屬性進(jìn)行選擇，遵循所選擇的單元類型要能夠反映實(shí)際問題的特性的原則。 (1)前處理過程 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 9 前處理是整個(gè)分析過程的開始階段，其目的是在于建立一個(gè)符合工程實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)有限元分析模型，為后繼的分析創(chuàng)建對象。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效地提高工作速度。 圖 11 ANSYS 主界面 用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等 值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 基本功能 ANSYS 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。在進(jìn)行分析之前，可用交互式圖形來驗(yàn)證模型的幾何形狀、材料及邊界條件；在分析完成之后，計(jì)算結(jié)果的圖形顯示，立即可用于分析檢驗(yàn)。近 40 年來， ANSYS 公司一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展，并為全球工業(yè)廣泛接受，其用戶遍及全世界各地。它開發(fā)了第一個(gè)集成的計(jì)算流體動力學(xué)（ CFD）功能，也是第一個(gè)且是唯一一個(gè)開發(fā)了多物理場分析功能的軟件。 海洋石油平臺設(shè)計(jì) 7 ANSYS 軟件介紹 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、熱、電場、磁場、聲場于 一體的大型 CAE 通用有限元分析軟件。結(jié)構(gòu)物所受的最大地震載荷 F 等于其質(zhì)量 m 與地面最大加速度的乘積，即： F=m*a 由于這種方法比較簡單，且用這種方法設(shè)計(jì)的建筑物大多經(jīng)受了一般地震的考驗(yàn)，所以，它稍作修改后至今仍被某些國家的地震設(shè)計(jì)規(guī)范所采用。出于商業(yè)考慮，有些測試結(jié)果至今仍然處于保密階段。而且現(xiàn)場的冰情不可控制，結(jié)構(gòu)形式固定，不能得到完備的數(shù)據(jù)，因而難 以得到具有一般性的海冰力計(jì)算方法。 （ 2）試驗(yàn)方法 試驗(yàn)方法包括原型結(jié)構(gòu)上開展的現(xiàn)場測量和室內(nèi)試驗(yàn)。有限元數(shù)值模擬方法是將海冰與結(jié)構(gòu)的作用簡化為有限元模型，用現(xiàn)有商業(yè)軟件或者自行編制有限元程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行數(shù)值求解。 （ 1）理論分析方法 理論分析方法主要有理論模型和有限元數(shù)值模擬方法。 （ 5）動量反射力：當(dāng)波浪作用在沉沒于水中的大型物體時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)反動量，這一能量反射將在大型結(jié)構(gòu)上作用一個(gè)相當(dāng)?shù)牧?，即稱為動量反射力，一般對于高度相當(dāng)大的大型沉沒物必須要考慮此力。 波浪力是波動的海水作用于物體上的力，一般可以分為五個(gè)主要的力，即： （ 1）阻力：它是和穩(wěn)定 流動條件下的阻力相類似的力，仍是流體動能的函數(shù)。定常流是指基本上不隨時(shí)間變化的海流，理論上講，其速度，方向，及強(qiáng)度不隨時(shí)間的變化。 海流載荷分為潮汐、海流載荷，它們是作用于海上結(jié)構(gòu)物的主要載荷形式，對深海海洋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重大的影響，其情況很復(fù)雜，對于深海條件下常常伴有對流等情況發(fā)生。 大風(fēng)對海洋石油結(jié)構(gòu)物的工作影響很大，風(fēng)力隨著季節(jié)及地區(qū)的不同而有所區(qū)別。 結(jié)構(gòu)振動控制（簡稱結(jié)構(gòu)控制）技術(shù)在航空航天領(lǐng)域較早得到了應(yīng)用 ,近年來 ,在土木工程結(jié)構(gòu)的振動控制中也已開始得到應(yīng)用。 隨著海上油氣生產(chǎn)向著更深的海域推進(jìn) ,以張力腿平臺為代表的深海平臺必將繼續(xù)受到廣泛的重視和發(fā)展 ,研究熱點(diǎn)主要在于：尋求更為經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)型式 ,以適應(yīng)極深海油田或極深海邊際油田開發(fā)的需要；深海平臺結(jié)構(gòu)的非線性動力分析 ,尤其是會危及平臺安全的長周期慢漂運(yùn)動 ,以及高頻響應(yīng)中所產(chǎn)生的二海洋石油平臺設(shè)計(jì) 4 階和頻力和高階脈沖力；張力腿平臺的張力腿（系索）系統(tǒng)的研究 ,尤其是張力腿的極限承載能力、疲勞斷裂可靠性以及維修問題；張力腿平臺的錨固基礎(chǔ)的研究 ,尤其是筒型（吸力）基礎(chǔ)和以壓載控制的可回收基礎(chǔ)的研究。獨(dú)樁平臺 (又稱為獨(dú)柱支撐平臺 )的上部甲板結(jié)構(gòu)由單一鋼管樁支撐 ,隔水層管則置于鋼管樁內(nèi)。 Guardian 平臺是 PetroMarine 工程公司設(shè)計(jì)的一種單樁平臺 ,它也用鉆井隔水套管作為平臺支柱 ,不同之處在于這種平臺用兩根斜樁取代了前述兩種平臺的斜撐和直