海洋導管架在復雜載荷作用下的動態(tài)響應

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

2、的特性曲線。結果表明，由于海洋導管架所處工作環(huán)境特殊，對其進行靜動態(tài)校核，甚至疲勞分析是非常必要的。 </p><p>　　關鍵詞：海洋導管架；自由振動；復雜載荷；諧響應分析；有限元法 </p><p>　　中圖分類號： O32 文獻標識碼： A </p><p>　　海洋平臺是高出海面的一種海洋工程結構，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，以適應海上鉆井采油作業(yè)的需要。海洋導管架結構的研究工作主要涉及了梁、板結構的靜動態(tài)響應控制[1叫 。Huang W P等對海洋平臺的靜動態(tài)分析進行了研究，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振動法[4]，這是研究海洋平臺動力學較早的方法。隨機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，是一種較為先進合理的分析工具

4、。20世紀70年代初期，Penzien等人提出了一種隨機方法用于分析近海平臺結構在波浪和強烈地震作用下的反應，并應用這一方法對簡單的二維平臺構進行了動力反應分析 ]。A L G A Coutinho等在振型分解法基礎上，提出了一種基于一組正交向量的坐標轉換方法，對海洋平臺的動力反應進行了計算 ]。C TChang等采用直接積分方法，分析了動載荷作用下結構一水一基礎非線性體系的反應l7]。日本的Yama—da等分析了同時受到地震和波浪作用

5、的導管架海洋平臺的動力</p><p>　　1 導管架結構計算模型 </p><p>　　采用的海洋導管架平臺計算模型見圖1。導管架平臺屬于固定式平臺，由上層平臺結構和下部導管架結構組成，導管架底端基礎固定。上層平臺結構包括支撐框架和甲板，下部導管架由鋼管焊接而成，主體是6根主導管，其間細管為支撐件。整個結構關于zOz、yOz坐標對稱，并假設整個結構處于彈性階段。 </p>

6、<p>　　2 導管架結構有限元模型 </p><p>　　甲板主要提供生產和生活的場地，也是平臺的主要承重構件，其外形為矩形。相對整體而言，甲板為薄壁結構，文中選用SHELL63單元把甲板離散為4節(jié)點殼單元。選用PIPE16單元把主導管和支撐桿離散為2節(jié)點管單元，由于主導管起主要的支撐作用，所以需設置比支撐桿較大的截面參數(shù)。同時還需要設置質量單元MASS21來模擬甲板上生產所需設備的自重，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鍵點，連接點形成線，連接線形成面，然后劃分網格。劃分網格時要注意對不同的構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法進行諧響應及瞬態(tài)動力學分析。 </p><p>　　4 導管架結構自由振動 </p><p>　　對如圖1所示的導管架結構進行模擬計算，結構高60 m、寬18 m，水深80 m，主導管直徑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 冰載荷作用下導管架結構的動力響應在冬天的渤海區(qū)域，冰厚有時達到1 Ill，會對導管架結構產生很大的作用力。由于冰撞擊導管架是在很短的時間內完成，因此具有明顯的瞬時效應。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及重復作用n引，必要時還需考慮導管 </p><p>　　

10、架結構的疲勞強度口引。 </p><p><b>　　結語 </b></p><p>　　利用ANSYS軟件分析了海洋導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，由結構動力學理論分析和本文的數(shù)值分析結果可以得出：① 由于結構的對稱性，其相鄰兩階的自振頻率非常接近，因此在實際應用中應盡量采用對稱結構，避免共

11、振現(xiàn)象的發(fā)生② 當外載荷的激振頻率與結構的固有頻率接近時會引起結構的共振現(xiàn)象，結構的位移響應最大。因此在設計導管架平臺結構時應綜合考慮結構的自振頻率與海洋中復雜載荷之間的關系。③冰載荷對導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構的靜態(tài)效應，還應考慮結構疲勞的問題。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 張