文档介绍：基于 ANSYS 的典型浮式平台结构总体强度分析
叶谦,金伟良,曹宇,钱淼华,白勇
(浙江大学建筑工程学院结构工程研究所杭州 310058)
摘要:探讨了浮式平台结构的分析的重要性,采用 ANSYS 构建了三类典型浮式结构的
有限元计算模型,以海洋中常规的波浪荷载作为外荷载进行计算,编制相关程序把波浪荷载
施加到有限元计算模型,通过对一重要的半潜式平台结构的分析,并把分析结果与海工专业
软件进行对比,表明 ANSYS 非常适用于大型复杂结构的分析,具有很高的分析效率和分析
准确性。
关键词:典型浮式平台;分析方法;半潜式平台;张力腿平台;Spar 平台;有限元模型;波浪荷
载
1. 引言
深水浮式平台结构常常作为有着较高的技术含量,随着社会经济的发展,该
类结构物的得到了不断的应用,特别是在深水油气开发中起着非常重要的作用,
尽管浮式结构物出现的时间只有短短几十年,但由于受力条件较为复杂,且该类
结构物往往极为重要,历来是台结
构形式往往较为复杂,传统分析方法并不能有效解决该类问题,有限元技术的不
断发展给海洋工程结构的计算带来了极大地便利,使得复杂结构物的精确计算成
为可能。Zienkiewicz[1]为海洋平台有限元模型的计算原理进行了开创性的研究,
后又经过巴斯诺夫[2]等人进一步的研究,使得有限元技术能够在海洋平台结构中
得到较好的应用。基于上述等人的理论研究,大型的通用有限元软件的开发工作
陆续开展开来,ANSYS 软件是纵多软件中的佼佼者,ANSYS 软件应用具有良好
的用户截面,建模方便,可操作性强。很多学者对 ANSYS 软件的应用做了详细
地介绍[3]-[7],极大地方便了 ANSYS 爱好者的学习也使得 ANSYS 软件在有限元
爱好者中普及开来。
2. 典型浮式平台有限元模型
通常,在建立浮式平台的计算模型的时候,需要做出一定的简化和假设,按
照不同的计算要求结构模型又可以分为梁式模型、板和梁的组合模型,壳模型等
各类模型有不同的适用范围,如表 1 所示。实际建模时,结构具体需要采用何
种计算模型类型,需要考虑实际结构的力学行为,例如,整体模型中当加劲肋的
高度较高时,用板单元建模计算分析效果更为精确。基于上述分析的考虑,本文
对整体模型采用了梁、壳组合模型。
表 1 平台计算模型对比
梁式模型板壳模型实体模型
主要采用实体单元或与杆梁、
主要由杆单元和梁单元建立主要采用板壳单元或与杆梁
板壳单元结合建立模型,以获
模型,以获得结构总体的力单元结合建立模型,以便获
得结构细节或局部的力学行
学行为模型的计算结果可用得结构构件的力学行为,一
为。该级的模型中,一般不采
于方案设计,空间模型的计般而言,模型多为空间模型,
用全部实体单元,而是采用多
算结果可用于技术设计。分析结果可用于技术设计。
种单元的组合进行模拟。
目前深水平台的主要类型有张力腿平台、半潜式平台、Spar 平台和 Fpso(浮
式生产系统)等,本文的研究重点是张力腿平台、半潜式平台和 Spar 平台等三
种,而且对半潜式平台的研究则显得更加重要。这几类平台的外形都有各自的特
点,结构复杂程度也不完全相同,因此,在建立有限元计算模型时方法也不尽相
同。比如半潜式平台结构,主要由浮箱(Pontoon)、立柱(Column)、撑杆(Brace)、
平台(Deck)组成,而每一组成部分的可以更加详细地分为主板(Plate)、主
龙骨(Primary Girder)、舱壁(Bulkhead),主梁(Girder)、加劲肋(Stiffener)
等多种构件。由于构件类型颇多,在建立模型之前必须要对构件类型的重要程度
进行规划,那些构件是主要的,是必须建立的,那些构件有较为主要,也应该建
立的,还有一些构件不是主要的,可以不建立的,都需要有一个较为清晰的规划。
此外,模型还必须进行有限元模型的常规校核和海洋浮式平台结构的特殊校核,
在进行海洋平台水动力荷载计算时,需要确定平台吃水深度、重量重心、回转半
径等深水海洋平台重要参数,表 2 为本文所建的为三种平台的主要设计参数列
表,表 3 为本文在建立半潜式平台有限元模型是的主要构件列表。
表 2 典型深海浮式平台设计参数
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平台类型重心船体平台转动半径(m) 平台转动惯量(×10 )
i i i I I I
xx yy zz xx yy zz
Spar 位置(- ) 重量76643(T)
TLP 14 48