海洋導(dǎo)管架在復(fù)雜載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)

1、<p>　　海洋導(dǎo)管架在復(fù)雜載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)</p><p>　　摘要：研究了海洋導(dǎo)管架自由振動及復(fù)雜載荷作用下的動力學(xué)行為。利用ANSYS軟件建立海洋導(dǎo)管架平臺三維模型，針對海洋導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)及載荷特點，將導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)離散成空間梁和板有限元單元結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和瞬態(tài)完全法，編程計算了平臺結(jié)構(gòu)在波浪載荷及冰載荷作用下的動力相應(yīng)，給出了其自振頻率和諧響應(yīng)，繪制了海洋導(dǎo)管架不同部位的變形隨載荷參數(shù)變化

2、的特性曲線。結(jié)果表明，由于海洋導(dǎo)管架所處工作環(huán)境特殊，對其進(jìn)行靜動態(tài)校核，甚至疲勞分析是非常必要的。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：海洋導(dǎo)管架；自由振動；復(fù)雜載荷；諧響應(yīng)分析；有限元法 </p><p>　　中圖分類號： O32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p>　　海洋平臺是高出海面的一種海洋工程結(jié)構(gòu)，隨著海洋石油資源的深入開發(fā)和利用，通常要在惡劣的海況條件下建

3、造各種平臺，以適應(yīng)海上鉆井采油作業(yè)的需要。海洋導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的研究工作主要涉及了梁、板結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)響應(yīng)控制[1叫 。Huang W P等對海洋平臺的靜動態(tài)分析進(jìn)行了研究，給出了海洋平臺與載荷間的靜動態(tài)振動模型，并通過實驗驗證了理論結(jié)果的可靠性 ]。Housner于1947年提出了符合海洋平臺實際情況的隨機(jī)振動法[4]，這是研究海洋平臺動力學(xué)較早的方法。隨機(jī)振動方法較充分地考慮了地震載荷、冰載荷發(fā)生的統(tǒng)計概率特性，是一種較為先進(jìn)合理的分析工具

4、。20世紀(jì)70年代初期，Penzien等人提出了一種隨機(jī)方法用于分析近海平臺結(jié)構(gòu)在波浪和強(qiáng)烈地震作用下的反應(yīng)，并應(yīng)用這一方法對簡單的二維平臺構(gòu)進(jìn)行了動力反應(yīng)分析 ]。A L G A Coutinho等在振型分解法基礎(chǔ)上，提出了一種基于一組正交向量的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，對海洋平臺的動力反應(yīng)進(jìn)行了計算 ]。C TChang等采用直接積分方法，分析了動載荷作用下結(jié)構(gòu)一水一基礎(chǔ)非線性體系的反應(yīng)l7]。日本的Yama—da等分析了同時受到地震和波浪作用

5、的導(dǎo)管架海洋平臺的動力</p><p>　　1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)計算模型 </p><p>　　采用的海洋導(dǎo)管架平臺計算模型見圖1。導(dǎo)管架平臺屬于固定式平臺，由上層平臺結(jié)構(gòu)和下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)組成，導(dǎo)管架底端基礎(chǔ)固定。上層平臺結(jié)構(gòu)包括支撐框架和甲板，下部導(dǎo)管架由鋼管焊接而成，主體是6根主導(dǎo)管，其間細(xì)管為支撐件。整個結(jié)構(gòu)關(guān)于zOz、yOz坐標(biāo)對稱，并假設(shè)整個結(jié)構(gòu)處于彈性階段。 </p>

6、<p>　　2 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)有限元模型 </p><p>　　甲板主要提供生產(chǎn)和生活的場地，也是平臺的主要承重構(gòu)件，其外形為矩形。相對整體而言，甲板為薄壁結(jié)構(gòu)，文中選用SHELL63單元把甲板離散為4節(jié)點殼單元。選用PIPE16單元把主導(dǎo)管和支撐桿離散為2節(jié)點管單元，由于主導(dǎo)管起主要的支撐作用，所以需設(shè)置比支撐桿較大的截面參數(shù)。同時還需要設(shè)置質(zhì)量單元MASS21來模擬甲板上生產(chǎn)所需設(shè)備的自重，把甲板上所有

7、的重量均攤給頂部的8個節(jié)點。選用這3種單元類型能較好地模擬海洋導(dǎo)管架平臺在加載過程中的變形。根據(jù)建立的幾何模型建立關(guān)鍵點，連接點形成線，連接線形成面，然后劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格時要注意對不同的構(gòu)件賦予不同的單元屬性和實常數(shù)。該例共3類單元4類實常數(shù)，共計278個單元，228個節(jié)點。 </p><p><b>　　3 邊界條件 </b></p><p>　　在主導(dǎo)管下端面施

8、加固定約束，中間節(jié)點(98、110)處施加波浪載荷和冰載荷，由此得到約束充分的有限元模型。假設(shè)材料為理想的彈塑性材料，采用Block Lanczos法提取模態(tài)，采用FUI L法進(jìn)行諧響應(yīng)及瞬態(tài)動力學(xué)分析。 </p><p>　　4 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)自由振動 </p><p>　　對如圖1所示的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算，結(jié)構(gòu)高60 m、寬18 m，水深80 m，主導(dǎo)管直徑1．5 m、壁厚50 mm，

9、支撐桿直徑760 mm、壁厚320 mill，整個平臺質(zhì)量為24 t?？紤]到振型的一致性，需對板單元與管單元施加耦合約束 。6 冰載荷作用下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)在冬天的渤海區(qū)域，冰厚有時達(dá)到1 Ill，會對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的作用力。由于冰撞擊導(dǎo)管架是在很短的時間內(nèi)完成，因此具有明顯的瞬時效應(yīng)。實際的冰載荷有許多如位移。這類載荷短期破壞，但由于冰載荷的隨機(jī)及重復(fù)作用n引，必要時還需考慮導(dǎo)管 </p><p>　　

10、架結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度口引。 </p><p><b>　　結(jié)語 </b></p><p>　　利用ANSYS軟件分析了海洋導(dǎo)管架平臺在波浪及冰載荷作用下的變形問題。針對文中算例模 </p><p>　　型，由結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論分析和本文的數(shù)值分析結(jié)果可以得出：① 由于結(jié)構(gòu)的對稱性，其相鄰兩階的自振頻率非常接近，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)盡量采用對稱結(jié)構(gòu)，避免共

11、振現(xiàn)象的發(fā)生② 當(dāng)外載荷的激振頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時會引起結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)最大。因此在設(shè)計導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)時應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的自振頻率與海洋中復(fù)雜載荷之間的關(guān)系。③冰載荷對導(dǎo)管架存在非常明顯的沖擊作用，在惡劣的海洋環(huán)境中不僅需要校核結(jié)構(gòu)的靜態(tài)效應(yīng)，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)疲勞的問題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 張