海洋石油平臺課程設(shè)計

1、. 海洋石油平臺設(shè)計課程設(shè)計 .;目錄第一章 綜述11.1 平臺概述11.1.1 海洋平臺的分類11.1.2海洋平臺結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀21.1.3海洋平臺結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢31.2 海洋環(huán)境荷載41.2.1海風(fēng)荷載41.2.2海流荷載41.2.3波浪荷載51.2.4海冰荷載61.2.5地震作用61.3 ANSYS軟件介紹71.3.1 ANSYS 的發(fā)展歷史71.3.2 基本功能71.3.3分析過程8第二章 導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)分析122.1 導(dǎo)管架平臺簡介122.2 平臺整體模型建立122.2.1工程實例基本數(shù)據(jù):122.2.2平臺幾何模型的建立132.3、波流耦合作用下導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)靜力分析

2、202.3.1結(jié)構(gòu)整體靜力分析202.3.2 靜力結(jié)果分析232.4 導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析262.4.1結(jié)構(gòu)模態(tài)計算262.4.2觀察模態(tài)分析結(jié)果262.5 波浪作用下平臺結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力分析302.5.1瞬態(tài)動力分析302.5.2動力分析結(jié)果處理33第三章 平臺樁腿與海底土相互作用模擬373.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)373.2前處理過程383.3靜力求解計算423.4 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析47第四章 總結(jié)53第一章 綜述1.1 平臺概述海洋平臺是一種海洋工程結(jié)構(gòu)物,它為開發(fā)和利用海洋資源提供了海上作業(yè)與生活的場所。隨著海洋開發(fā)事業(yè)的迅速發(fā)展,海洋平臺得到了廣泛的應(yīng)用,如海底石油和天然氣的勘探與開發(fā)、海底管線鋪

3、設(shè)、海洋波浪能的利用、建造海上機場及海上工廠等。目前應(yīng)用海洋平臺最為廣泛的領(lǐng)域當(dāng)屬海上油氣資源的勘探與開發(fā)。用于海上油氣資源勘探與開發(fā)的洋平臺按功能劃分主要分為鉆井平臺和生產(chǎn)平臺兩大類,在鉆井平臺上設(shè)有鉆井設(shè)備,在生產(chǎn)平臺上則設(shè)有采油設(shè)備。若按結(jié)構(gòu)型式及其特點來劃分,海洋平臺大致可分為三大類固定式平臺、移動式平臺和順應(yīng)式平臺。1.1.1 海洋平臺的分類1.固定式平臺 固定式平臺靠打樁或自身重量固定于海底,目前用于海上石油生產(chǎn)階段的大多數(shù)是固定式平臺,它又可分為樁式平臺和重力式平臺兩個類別。樁式平臺通過打樁的方法固定于海底,其中的鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺是目前海上使用最廣泛的一種平臺；而重力式平

4、臺則是依靠自身重量直接置于海底,這種平臺的底部通常是一個巨大的混凝土基礎(chǔ)沉箱,由三個或四個空心的混凝土立柱支撐著甲板結(jié)構(gòu)。 2.移動式平臺 移動式平臺是一種裝備有鉆井設(shè)備,并能從一個井位移到另一個井位的平臺,它可用于海上石油的鉆探或生產(chǎn)。移動式平臺可分為坐底式平臺、自升或平臺、鉆井船和半潛式平臺四個類別。坐底式平臺一般用于水深較淺的海域,工作水深通常在60米以內(nèi)；自升式平臺具有能垂直升降的樁腿,鉆井時樁腿著底,平臺則沿樁腿升離海面一定高度,移位時平臺降至水面,樁腿升起,平臺就像駁船可由拖輪把它拖移到新的井位。自升式平臺的優(yōu)點主要是所需鋼材少,造價低,在各種情況下都能平穩(wěn)地進

5、行鉆井作業(yè),缺點是樁長度有限,使它的工作水深受到限制,最大的工作水深約在120米左右；鉆井船是在船中央設(shè)有井孔和井架,它靠錨泊系統(tǒng)或動力定位裝置定位于井位上。它漂浮于水面作業(yè),能適應(yīng)更大的水深,同時它的移動性能最好,便于自航。但由于它在波浪上的運動響應(yīng)大,稍有風(fēng)浪就會引起很大的運動,使鉆井作業(yè)無法再進行下去,風(fēng)浪更大時船還得離開井位,這是鉆井船得不到大發(fā)展的主要原因；半潛式平臺是由坐底式平臺演變而來的,它上有平臺甲板,在水面以上不受波浪侵襲,下有浮體,沉于水面以下以減小波浪的擾動力,連接于其間的是小水線面的立柱。由于半潛式平臺具有小的水線面面積,使整個平臺在波浪中的運動響應(yīng)較小,因而它具有出色

6、的深海鉆井的工作性能。半潛式平臺可用錨泊定位和動力定位,錨泊定位的半潛式平臺一般適用于200500米水深的海域。 3.順應(yīng)式平臺 順應(yīng)式平臺是一種適于深海作業(yè)的海洋平臺,它在波浪作用下會產(chǎn)生水平位移。順應(yīng)式平臺又可分為張力腿式平臺和牽索塔式平臺兩個類別。張力腿式平臺的上部類似于半潛式平臺，整個平臺是通過張力腿（實為系泊鋼管或鋼索）垂直向下固定于海底,它是一種新開發(fā)的深海平臺,與導(dǎo)管架平臺相比,導(dǎo)管架平臺的造價與水深關(guān)系大致呈指數(shù)關(guān)系增加,而張力腿式平臺的造價則隨水深的增加變化較小。此外,由于每個張力腿都有很大的預(yù)張力,因此張力腿式平臺在波浪中的運動幅度遠小于半潛式平臺；牽索

7、塔式平臺由甲板、塔體和牽索系統(tǒng)三部分組成。塔體是一個類似于導(dǎo)管架的空間鋼架結(jié)構(gòu),牽索則圍繞著塔體對稱布置,牽索系統(tǒng)可以吸收由外力產(chǎn)生的能量以保證塔體的運動幅度在規(guī)定的范圍內(nèi)。1.1.2海洋平臺結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 海洋平臺的建造歷史可以追溯到1887年在美國加里福尼亞所建造的第一座用于鉆探海底石油的木質(zhì)平臺。而鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺則是在1947年首次出現(xiàn)于墨西哥灣6米水深的海域,此后,海洋平臺得到了迅速發(fā)展。到1978年,鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺的工作水深已達312米,而不久前高度為486米的巨型導(dǎo)管架平臺也已安裝于墨西哥灣411米水深的海域。第一座坐底式平臺是1949年在墨西哥灣鉆井的“環(huán)球40號

8、”。在50年代建造了近30座坐底式平臺。50年代末,坐底式平臺的工作水深已達到27.43米（90英尺）。1963年出現(xiàn)了一座大型坐底式平臺,其工作水深達53.34米（175英尺）。此后10年中,坐底式平臺沒有發(fā)展。直到19731974年間,由于原油價格暴漲,人們對適合于水深小于30米的淺水區(qū)工作的坐底式平臺的需求再一次表現(xiàn)出來,于是在70年代后半期又建造了一些坐底式平臺,此后又趨冷落。由于我國有大片的淺水及海灘地區(qū)需要勘探開發(fā),在所采用的鉆探裝備中,坐底式平臺占有重要的地位。1979年建成并投入使用的“勝利一號”坐底式平臺是我國設(shè)計、制造的第一座坐底式平臺,它的作業(yè)水深范圍為25米。 

9、;為了適應(yīng)在不同水深范圍內(nèi)鉆井,1954年出現(xiàn)了第一座自升式鉆井平臺“加里福尼亞號”。到1960年,大約有30座自升式平臺在使用中,最大工作水深約5060米。60年代，自升式平臺不僅在數(shù)量上大為增加,而且在結(jié)構(gòu)上也得到了不斷的改進,到60年代末,自升式平臺的工作水深已達到91.44米（300英尺）。在70年代,為了滿足全世界勘探的需要,自升式鉆井平臺的數(shù)量迅速增加,到70年代末,自升式鉆井平臺占移動式鉆井裝置的總數(shù)的一半。而到了1985年,此比例已達到60%，自升式鉆井平臺的最大工作水深已達137.16米（450英尺）。 1962年出現(xiàn)的第一座半潛式平臺是由一帶有穩(wěn)定立柱的坐底式平臺

10、改建而成,60年代共建造了大約30座半潛式平臺。半潛式平臺的數(shù)量在70年代迅速增加,設(shè)計重點表現(xiàn)在自推進、動力定位、惡劣海況、更大的工作水深（1830米）及更大的鉆井深度（9144米）。在此期間,運動補償裝置的使用提高了鉆井效率。80年代,半潛式平臺的最大工作水深能力為3048米,半潛式平臺已開創(chuàng)了在北緯60°以北的北海海域鉆井的記錄。自1973年北海建成第一座棍凝士重力式平臺Ekofisk Tank平臺后, 相繼又有20余座混凝土重力式平臺投人使用?；炷林亓κ狡脚_的安裝水深也在逐漸增大,由最初的70米水深已發(fā)展到305米水深（1995年安裝的Troll平臺）。 

11、;張力腿平臺的研究始于1954年，R·O·Marsh Jr.首先提出了張力索組平臺概念。從1954年到70年代末期,基本上各國學(xué)者都致力于理論與實驗的概念性的研究。70年代末期以后,各國學(xué)者才真正致力于工程性的研究和實施。1984年世界上第一個由美國CONOCO公司建造的張力腿平臺正式安裝在147米深的Hutton油田,目前在深水海域投人使用和在建的張力腿平臺近20座,其工作水深已接近1000米。 據(jù)文獻介紹,牽索塔式平臺在水深為300米左右時,與固定式平臺造價幾乎相等；在水深為300600米范圍內(nèi)時,優(yōu)于固定式平臺；而在水深大于600米時,則讓位于張力腿式平臺。

12、目前已有一座牽索塔式平臺用于墨西哥灣水深305米的海域。 海上油氣資源的開發(fā)在不斷向深海進軍的同時,淺海邊際油氣資源的開發(fā)利用也引起了人們的日益關(guān)注,研究和開發(fā)適合于淺海邊際油氣資源開發(fā)的固定式簡易平臺得到了廣泛的重視。自80年代以來,簡易平臺的應(yīng)用日趨廣泛,墨西哥灣地區(qū)尤為突出。近年來,在北海南部海域也已開始應(yīng)用,其中應(yīng)用較多的簡易平臺主要有MOSS 型、Mantis型Guardian、Seashore及獨樁平臺等。 MOSS平臺由CBS工程公司于1987年首次設(shè)計用于墨西哥灣,共有4種型式,其中MOSS 型使用最廣,已有80余座用于該地區(qū)。MOSS 型平臺用鉆井隔水套管

13、作支柱并有兩根斜撐在水面上加以支持,斜撣在泥線處用樁固定于海床,這種結(jié)構(gòu)的適用水深可達45米。在支柱頂端,可設(shè)一層或兩層甲板,其面積可達150平方米。這種平臺可用作井口平臺也可作為生產(chǎn)平臺。Mantis型平臺由DEG公司設(shè)計,也采用鉆井隔水套管作為支柱,其適用水深為943米,原設(shè)計主要用于天然氣生產(chǎn)。平臺可以支持一個223平方米的甲板,以及一個58平方米的標準直升機甲板。Mantis型平臺具有較高的剛性,除兩根斜撐的樁用整體底座固聯(lián)為一體外,各主要節(jié)點均不用卡裝或銷接等機械聯(lián)接方式。Guardian平臺是Petro-Marine工程公司設(shè)計的一種單樁平臺,它也用鉆井隔水套管作為平臺支柱,不同之

14、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樁。這種平臺適用于30米以下的淺水域。Seashore平臺于1984年首次用于墨西哥灣,此后又用于北海南部海域以及東南亞,迄今已有150余座投人使用,其最大特點是用金字塔形的水下構(gòu)架和寬大的底座。Seashore平臺具有較大的靈活性,可以作為井口平臺,也可以用作生產(chǎn)平臺,其適用水深一般至45米,也可用于至90米的較深水域。獨樁平臺(又稱為獨柱支撐平臺)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)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單,制造、安裝方便,造價低等特點,目前在北海地區(qū)、美國墨西哥灣、意大利亞得利亞海以及我國的渤海等海域已經(jīng)得到應(yīng)用,其適用水

15、深可達40米。 1.1.3海洋平臺結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢 人們對海上油氣資源需求的不斷增加,促使海洋平臺結(jié)構(gòu)不斷地向前發(fā)展。今后一段時間,海洋平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)加強以下幾個方面的研究。1.深海平臺結(jié)構(gòu)的研究 隨著海上油氣生產(chǎn)向著更深的海域推進,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,研究熱點主要在于：尋求更為經(jīng)濟有效的結(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動,以及高頻響應(yīng)中所產(chǎn)生的二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

16、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。 2.簡易平臺結(jié)構(gòu)的研究 在石油價格不斷上漲以及開發(fā)海上邊際油田需要的推動下,簡易平臺（又稱輕型平臺）在國外應(yīng)運而生,迄今應(yīng)用甚廣,并不斷發(fā)展而日趨成熟。我國正在開始大規(guī)模的灘海油田開發(fā),其中不乏分散而且小塊的邊際性油田。在我國油田開發(fā)正在由過去的地質(zhì)儲量管理轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟可采儲量管理的形勢下,引人簡易平臺的概念并結(jié)合我國實際情況積極開展簡易平臺結(jié)構(gòu)的研究、開發(fā)和應(yīng)用,對于加快我國灘海油田的開發(fā)和使更多邊際性油田能夠達到開發(fā)經(jīng)濟界限,從而使這些寶貴的儲量資源得到開發(fā)和利用將具有十分現(xiàn)

17、實和重要的意義。3.結(jié)構(gòu)控制技術(shù)在海洋平臺結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究 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。由于海洋平臺結(jié)構(gòu)所處的海洋環(huán)境更為惡劣,只靠傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加強措施來抵御外部環(huán)境載荷以滿足結(jié)構(gòu)的可靠性是很不經(jīng)濟的,如果將結(jié)構(gòu)控制技術(shù)引人到海洋平臺結(jié)構(gòu)的振動控制中,那么海洋平臺結(jié)構(gòu)的可靠性將得到進一步的提高,尤其對于簡易平臺結(jié)構(gòu)來說,采用結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可以使其結(jié)構(gòu)型式更趨簡單、合理,因而可以獲得更大的經(jīng)濟效益。1.2 海洋環(huán)境荷載海洋石油的開發(fā)的所有活動都離不開海水存在的環(huán)境，因此對于海洋石油工程結(jié)構(gòu)物而言，就要受到

18、來自海洋各種環(huán)境荷載的影響。下面簡要對海洋結(jié)構(gòu)物所受到的風(fēng)、海流、波浪、海冰以及地震等基本理論進行介紹。1.2.1海風(fēng)荷載大風(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。我國東南沿海夏季受臺風(fēng)的威脅較大；北部沿海冬季受蒙古及西伯利亞寒流影響較大，風(fēng)力最大可達12級，其風(fēng)速約為1060帕。例如，1978年9月25日，我國南海二號半潛式鉆井平臺正在臺風(fēng)中心附近，當(dāng)時平均風(fēng)速達50節(jié)二最大風(fēng)速達82節(jié)。對于海洋結(jié)構(gòu)物進行強度計算時，一般取風(fēng)壓不得小于800帕。1.2.2海流荷載海流載荷分為潮汐、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

19、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。然而，潮汐不會發(fā)生，所以在本書中不予考慮。海水水平或豎直的從某一海區(qū)流向另一海區(qū)的大規(guī)模質(zhì)量轉(zhuǎn)移稱為海流，按照其成因可以分為以下幾類：（1）風(fēng)海流：由于風(fēng)在海平面吹過，對海面產(chǎn)生切應(yīng)力，使海水產(chǎn)生運動，稱為風(fēng)海流；（2）梯度流：梯度流是等壓面發(fā)生傾斜時，水平壓強梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力達到平衡時的穩(wěn)定海流；（3）潮流：潮流是潮汐中水質(zhì)點的運動，亦即在水平引潮力作用和潮汐漲落同時發(fā)生的海水在水平方向上的周期性的流動；（4）波浪流：在近岸海區(qū)由于波浪引起的海水流動稱為波浪流；（5）入海徑流：由于融并或大量降雨等原因而顯著增加的河川徑流。入海后繼續(xù)向

20、河口方向或沿海區(qū)延伸而形成的海流；（6）定常流：周期性流和短期流按照海流隨時間變化而劃分，則可分為定常流，周期流和短期流。定常流是指基本上不隨時間變化的海流，理論上講，其速度，方向，及強度不隨時間的變化。周期流是指在一定時間范圍重復(fù)出現(xiàn)的具有周期變化規(guī)律的海流，如季風(fēng)流，潮流等。短期流是指由于短暫的外界條件變化而引起的偶然性的海流，如氣旋通過時產(chǎn)生的風(fēng)海流和氣壓梯度流等；（7）暖流和寒流：溫度較周圍水為高，向周圍傳送或傳播熱能的海流稱為暖流，反之，稱為寒流；（8）鹽水流和淡水流：鹽度較周圍水高的海流稱為鹽水流。反之，稱為淡水流；（9）補償流：海水流動的結(jié)果導(dǎo)致某些海水匱乏，另一海區(qū)海水集聚，于

21、是根據(jù)水的不可壓縮性和連續(xù)性，海水必定從集聚的海域流向匱乏的海域，這種海水的補償成為海水的補償流。1.2.3波浪荷載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)。（2）慣性力：它是水下結(jié)構(gòu)物排出的流體的質(zhì)量與流體的質(zhì)點的加速度的乘積的函數(shù)。（3）撞擊力：它是物體撞擊所產(chǎn)生的力，當(dāng)波峰穿過空氣打擊在結(jié)構(gòu)物上，發(fā)生沖擊或波浪破碎時引起的突然沖擊的載荷，這時由于空氣被波浪所包圍，不斷壓縮常使之爆炸，發(fā)出轟鳴聲，撞擊力一般可按總阻力在波峰部的慣性力的幾分之幾來計算，有時采用五分之一。（4）壓差力：這種力是由于海水

22、通過沉沒水中的物體的壓力差所造成的，當(dāng)有沉沒于水中的物體時，還是很重要的一種力，經(jīng)驗表明：壓差力等于靜壓差的一半與投影面積的乘積。（5）動量反射力：當(dāng)波浪作用在沉沒于水中的大型物體時，將出現(xiàn)一個反動量，這一能量反射將在大型結(jié)構(gòu)上作用一個相當(dāng)?shù)牧Γ捶Q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。1.2.4海冰荷載我國海岸線長，有的地區(qū)如北部海域每年最低溫度有時達到-18.3 攝氏度，在每年的12 月至次年3 月間常發(fā)生冰凍現(xiàn)象。因此在進行海洋石油結(jié)構(gòu)物計算時還要考慮冰壓力的作用。目前對冰載荷的研究方法可以分為試驗和理論分析兩種方法。（1）理論分析方法理論分析方法主要有理論模型和有

23、限元數(shù)值模擬方法。理論模型是基于力學(xué)原理對海冰材料，海冰與結(jié)構(gòu)作用方式進行簡化，得到可以求解的力學(xué)模型，運用數(shù)學(xué)方法求解海冰力。如果假設(shè)合理，模型建立適當(dāng)，理論模型分析可以揭示物理過程的內(nèi)在規(guī)律，具有重要意義。但由于自然界中海冰材料物理力學(xué)行為的復(fù)雜性，海冰與結(jié)構(gòu)接觸過程和邊界條件的復(fù)雜性，建立合適的理論模型并求解具有很大的難度。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行數(shù)值求解。其優(yōu)點是可以處理較復(fù)雜的力學(xué)模型，對一些無法用解析法求解得到的模型可以得到數(shù)值解。但是目前這一方法在冰載荷分析中運用的還不夠多。有限元理論發(fā)展相當(dāng)成熟，有很

24、多手段可以用于處理這一問題，這方面還有很多工作有待開展。（2）試驗方法試驗方法包括原型結(jié)構(gòu)上開展的現(xiàn)場測量和室內(nèi)試驗?，F(xiàn)場測量即在原型結(jié)構(gòu)上安裝測量海冰力的壓力盒，直接測量海冰作用在真實結(jié)構(gòu)上的海冰力。理論上，這種方法得到的海冰力數(shù)據(jù)真實可靠，是對海冰力的最好估計。但是，由于現(xiàn)場環(huán)境條件惡劣，設(shè)計合適的壓力傳感器有很大難度。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算方法。盡管如此，由于現(xiàn)場測量可以得到各海域真實的冰荷載情況，因此現(xiàn)場數(shù)據(jù)是研究冰荷載的最重要的資料。工程界對現(xiàn)場試驗得到的結(jié)論十分重視，在各個設(shè)計標準中，基本都采用了現(xiàn)場試驗得到的結(jié)

25、論。目前國際上在原型結(jié)構(gòu)上冰力測量進行的并不是很多。出于商業(yè)考慮，有些測試結(jié)果至今仍然處于保密階段。1.2.5地震作用1900 年，日本大森房吉教授提出了靜力理論。靜力理論不考慮結(jié)構(gòu)物的動力特性。假設(shè)結(jié)構(gòu)物為絕對剛性，地震時結(jié)構(gòu)物的運動與地面運動完全一致，結(jié)構(gòu)物的最大加速度等于地面運動的最大加速度。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)計的建筑物大多經(jīng)受了一般地震的考驗，所以，它稍作修改后至今仍被某些國家的地震設(shè)計規(guī)范所采用。但是這種方法完全忽略了結(jié)構(gòu)本身動力特性的影響。因為只有當(dāng)結(jié)構(gòu)的基本固有周期比地面運動周期小得

26、多時，結(jié)構(gòu)在地震時才有可能不產(chǎn)生變形而被視為剛體。所以靜力理論只適用于低矮的、剛性較大的建筑如路基、擋土墻和重力式橋臺等。1.3 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。由美國ANSYS軟件公司開發(fā)，是第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的分析設(shè)計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會(ASME)、美國核安全局（NQA）及近一十個專業(yè)技術(shù)協(xié)會認證的標準分析軟件，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子 、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學(xué)研究。功能強大、使用靈活。該軟件

27、可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)（如 Windows、UNIX、Linux）中運行，從 PC 機到工作站直至巨型計算機，ANSYS 文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。它開發(fā)了第一個集成的計算流體動力學(xué)（CFD）功能，也是第一個且是唯一一個開發(fā)了多物理場分析功能的軟件。ANSYS 多物理場耦合的功能，允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算，如：熱結(jié)構(gòu)耦合、磁結(jié)構(gòu)耦合以及電磁流體熱耦合，在 PC 機上生成的模型同樣可運行于巨型機上，這樣就確保了 ANSYS 對多領(lǐng)域多變工程問題的求解。1.3.1 ANSYS 的發(fā)展歷史ANSYS公司從建立之初到現(xiàn)在，已經(jīng)歷將近40年的歷史。公司成立于197年，總

28、部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡。近40年來，ANSYS公司一直致力于設(shè)計分析軟件的開發(fā)，不斷吸取新的計算方法和計算技術(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。ANSYS 軟件的第一個版本僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能，像當(dāng)時的大多數(shù)程序一樣，它只能是一個批處理程序，且只能在大型計算機上運行。20 世紀 70 年代初，ANSYS 軟件中融入了新的技術(shù)以及用戶的要求，從而使程序發(fā)生了很大的變化，非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類型被加入到子程序。70 年代末，交互方式的加入是該軟件最為顯著的變化，它大大地簡化了模型生成和結(jié)果評價。在進行分析之前，可用交互式圖形來驗證

29、模型的幾何形狀、材料及邊界條件；在分析完成之后，計算結(jié)果的圖形顯示，立即可用于分析檢驗。目前該軟件已發(fā)展到 ANSYS11.0 版本，其功能更加強大，使用更加便利。ANSYS 分析模擬工具易于使用、支持多種工作平臺。同時該軟件提供了一個不斷改進的功能清單，包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力學(xué)分析、設(shè)計優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大應(yīng)變/有限元轉(zhuǎn)動功能以及利用 ANSYS 參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）的擴展宏命令功能。1.3.2 基本功能ANSYS 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限

30、元模型。軟件提供了 100 種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計算結(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，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。啟動 ANSYS，進入主界面（如圖 1-1 所示）以后，程序停留在主程序界面。從主菜單可以進入各處理模塊：PRE7（通用前處理模塊），SOLUTION（求

31、解計算模塊），POST 1（通用后處理模塊）， POST26（時間歷程后處理模塊）。ANSYS 用戶手冊的全部內(nèi)容都可以聯(lián)機查閱，可以通過 ANSYS 幫助系統(tǒng)查看所有的單元介紹、基本原理等信息。圖 1-1 ANSYS 主界面用戶的指令可以通過鼠標點擊菜單項選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會在 LOG 文件中列出，打開輸出窗口可以看到 LOG 文件的內(nèi)容。如果軟件運行過程中出現(xiàn)問題，查看.LOG 文件中的命令流及其錯誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個批處理文件中，在以后進行同樣工作時，由 ANSYS自動讀入執(zhí)行，這是

32、ANSYS 軟件的第二種命令輸入方式。這種命令方式在進行某些重復(fù)性較高的工作時，能有效地提高工作速度。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。1.3.3分析過程了解 ANSYS 的基本知識之后，下面就來介紹在 ANSYS 中進行結(jié)構(gòu)有限元分析的一般流程 。一般地，一個完整的 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析過程包括下面一些基本操作和環(huán)節(jié)。(1)前處理過程前處理是整個分析過程的開始階段，其目的是在于建立一個符合工程實際情況的結(jié)構(gòu)有限元分析模型，為后繼的分析創(chuàng)建對象。雙擊實用菜單中的【Preprocessor】，進入ANSYS的前處理模塊。這個模塊主要包含如下的幾個操作環(huán)節(jié)。1）

33、分析環(huán)境設(shè)置進入 ANSYS 分析環(huán)境界面后，指定分析的工作名稱以及圖形顯示的標題，開始一個新的結(jié)構(gòu)分析。2）定義單元類型、實常數(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)合工程實際情況及ANSYS 單元庫相應(yīng)單元的屬性進行選擇，遵循所選擇的單元類型要能夠反映實際問題的特性的原則。單元類型定義完成后，需要設(shè)置相關(guān)的單元實常數(shù)（如：梁單元的橫截面面積、慣性矩，管單元的外徑、壁厚等），指定分析中所用到的材料模型以及相關(guān)的材料參數(shù)（如：彈性模量、泊松比、密度、屈服極限等）。3）建立幾何模型及網(wǎng)格劃分建立幾何模型就是要建立一個與實際結(jié)構(gòu)外形大致相同（程度由結(jié)構(gòu)的簡化原則

34、而定）的幾何圖形元素組合體。ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下模式與自底向上模式。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，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。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱體結(jié)構(gòu)。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而得到一個實體模型。ANSYS 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重桑。在創(chuàng)建復(fù)雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少大量的建模工作量。ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動和拷貝實體模型

35、圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成而和體、線與而的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除等操作。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS 程序提供使用便捷、高質(zhì)量的對 CAD 模型進行網(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。延伸網(wǎng)格劃分可將一個一維網(wǎng)格延伸成一個二維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS 程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，

36、可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直到誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。4）定義邊界條件及約束條件在上述的有限元模型上，引入實際結(jié)構(gòu)中的邊界條件，自由度之間的耦合關(guān)系以及其他的一些約束條件。注意：定義邊界條件及約束條件也可以在求解模塊中設(shè)置。另外，在 ANSYS建模過程中，也可以直接由建立節(jié)點的方式直接建立單元模型。(2)求解過程前處理階段完成建模以后，用戶可

37、以在求解階段獲得分析結(jié)果。點擊快捷工具區(qū)的【SAVEDB】將前處理模塊生成的模型存盤退出【Preprocessor】，點擊實用菜單項中的【Solution】進入分析求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后開始有限元求解。1） 設(shè)定分析類型ANSYS 軟件提供的分析類型如下：結(jié)構(gòu)靜力分析：用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。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。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析：結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或

38、部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進行的結(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)分析及隨機振動響應(yīng)分析。結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。動力學(xué)分析：ANSYS 程序可以分析大型二維柔體運動。當(dāng)運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，確定結(jié)構(gòu)中山此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析：程序可處理熱傳遞的二種基本類型:傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的二種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和

39、瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。流體動力學(xué)分析：ANSYS 流體單元能進行流體動力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率，并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用二維表而效應(yīng)單元和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流，包括對流換熱效應(yīng)。在選定分析類型后，需要設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，比如分析所用到的求解器類型、非線性選項和迭代次數(shù)設(shè)置、模態(tài)分析的模態(tài)提取方法和模態(tài)擴展數(shù)的等各種分析選項。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

40、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?？梢詫⒔Y(jié)構(gòu)分析的載荷施加到幾何模型上或者有限元模型上。施加在幾何模型上的載荷是獨立于有限元網(wǎng)格的，當(dāng)在劃分網(wǎng)格時，是不會影響到已近施加的載荷的。施加到有限元模型上的載荷網(wǎng)格修改時將會失效，需要刪除先前的載荷并在新的網(wǎng)格上重新定義載荷。對于施加在幾何實體模型上的載荷，ANSYS 程序?qū)⒆詣訉⑵滢D(zhuǎn)換到有限元模型上進行求解。3)求解計算在施加了載荷并設(shè)置了相關(guān)的分析選項之后，即可調(diào)用求解程序開始求解。在求解過程中，可以通過屏幕窗口獲取計算過程的一些相關(guān)信息，諸如載荷步、收斂曲線等。(3)后處理過程ANSYS 軟件的后處理過程包括

41、兩個部分：通用后處理模塊 POST1 和時間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界而，可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。這些結(jié)果包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。1）通用后處理模塊 POST 1單擊菜單項中的【General Postproc】選項即可進入通用后處理模塊。此模塊能對前面的分析結(jié)果以圖形方式顯示和輸出，例如，計算結(jié)果(如應(yīng)力)在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值(如應(yīng)力值)。用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)(如應(yīng)力范圍)，清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。2）時間歷程響應(yīng)后處理模塊 P

42、OST 26點擊實用菜單項中的【TimeHist Postprc】選項即可進入時間歷程響應(yīng)后處理模塊。這個模塊用于檢查在一個時間段或一個子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應(yīng)力或支座反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看，繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，POST26 還可以進行曲線的代數(shù)運算。綜上所述，對 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析的基本過程進行了簡單的介紹，希望讀者能夠?qū)?ANSYS 分析的基本過程有一個初步的認識。第二章 導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)分析2.1 導(dǎo)管架平臺簡介本節(jié)以海洋石油導(dǎo)管架平臺為對象，采用GUI 菜單操作和命令流相結(jié)合的方式，詳細介紹了ANSY

43、S 建立海洋平臺有限元模型的全過程，針對海洋平臺的各種環(huán)境載荷，采用相應(yīng)的ANSYS分析類型分別進行計算，目的是希望通過具體實例，加者對ANSYS 結(jié)構(gòu)整體分析的理解，以及對復(fù)雜海洋結(jié)構(gòu)物分析的方法。本節(jié)包括如下的一些問題：平臺結(jié)構(gòu)模型的建立，海洋平臺整體結(jié)構(gòu)的靜力分析，海洋平臺的模態(tài)分析，波浪載荷作用下海洋平臺的瞬態(tài)動力分析2.2 平臺整體模型建立本節(jié)結(jié)合工程實例以導(dǎo)管架平臺為對象，按照結(jié)構(gòu)特點分析、單元類型選擇、材料參數(shù)設(shè)定、建立幾何模型、劃分有限元網(wǎng)格的順序，詳細介紹ANSYS 建立海洋導(dǎo)管架平臺有限元模型的過程。建模過程中，采用APDL 命令流和GUI 菜單相結(jié)合的方式。2.2.1工程

44、實例基本數(shù)據(jù):水深：50m風(fēng)速：48.0m/s有效波高：15.0m， 有效波周期：11.0s，海面流速：2.40m/s，中部流速：2.00m/s， 底部流速：1.65m/s。海冰：厚度：32cm，抗壓強度1990Kpa。序號名稱直徑壁厚1泥面上導(dǎo)管架主導(dǎo)管1.20.0502泥面下導(dǎo)管架主導(dǎo)管1.20.0503甲板部分主導(dǎo)管0.780.03814導(dǎo)管架層間橫支撐0.780.03815導(dǎo)管架斜支撐0.5080.02546甲板部分梁結(jié)構(gòu)截面面積截面長截面寬0.160.40.47甲板厚度長*寬0.02530*202.2.2平臺幾何模型的建立（1）設(shè)置工作環(huán)境進入ANSYS/Multiphysics 的

45、程序界面后，通過常用菜單路徑【Utility Menu】>【File】>【Change Job name】,指定分析的工作名稱為“Platform”，將“New log and error files？”選項設(shè)置為【yes】， 點擊【OK】按鈕，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 Platform”。在命令流窗口輸入“/UNIT,SI”，定義國際單位制。（2）定義單元類型單擊菜單路徑【Main Menu】>【Peprocessor】>【Element Type】

46、>【Add/Edit/Delete】定義4種單元類型，選取PIPE20 為1 號單元，PIPE59 為2 號單元，BEAM4 為3 號單元，SHELL43 為4 號單元。（3）定義單元實常數(shù)單擊菜單路徑【Main Menu】>【Preprocessor】>【Real Constants】>【Add/Edit/Delete】， 定義6 組實常數(shù)，其中實常數(shù)1 針對PIPE20 單元，實常數(shù)24 針對PIPE59 單元，實常數(shù)5 針對BEAM4 單元，實常數(shù)6 針對SHELL63 單元。（4）定義材料參數(shù)選擇菜單項【Main Menu】>【Preprocessor】&

47、gt;【Material Props】>【Material Models】，在出現(xiàn)的“Define Material Model Behavior” 對話框的右側(cè)， 依次選擇菜單路徑項【Structural 】>【Nonlinear】>【Inelastic】>【Rate Independent】>【Isotropic Mardening Plasticity】>【Mises Plasticity】>【Bilinear】，彈出“Note”對話框，點擊【確定】按鈕，設(shè)置材料的線性階段的彈性模量及泊松比，在出現(xiàn)的對話框【EX】項后的文本框中輸入“2.1E11

48、”，在【PRXY】項后的文本框中輸入“0.3”。然后單擊【OK】按鈕，彈出如圖6-8 所示的材料屈服強度設(shè)置窗口，在【Yield Stss】項后的文本框中輸入“360E6”，在【Tang Mod】項后的文本框中輸入“0”，表示采用的材料為理想彈塑性模型。再次單擊【Structural】>【Density】，彈出密度設(shè)置窗口，在【DENS】選項后的文本框中輸入“7850”，單擊【OK】。繼續(xù)單擊【Fluids】>【W(wǎng)ater Table】設(shè)置環(huán)境載荷參數(shù)。（5）幾何模型建立建立海洋平臺的幾何模型主要分為三個步驟，即創(chuàng)建關(guān)鍵點、連線構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架和生成甲板平面。1）創(chuàng)建關(guān)鍵點通過菜單路徑

49、【Main Menu】>【Preprocessor】>【Modeling】>【Create】>【Keypoint】>【In Active CS】創(chuàng)建關(guān)鍵點。建立關(guān)鍵點之后的模型如下圖：2）通過關(guān)鍵點創(chuàng)建線構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架連接關(guān)鍵點生成平臺結(jié)構(gòu)的桿系框架，通過菜單路徑【Main Menu】>【Preprocessor】>【Modeling】>【Create】>【Lines】>【Straight Line】由關(guān)鍵點創(chuàng)建線。3）生成甲板平面每層甲板平面由9 個矩形平面組成，矩形位置和尺寸由甲板關(guān)鍵點坐標確定。通過菜單路徑【Main Menu】&

50、gt;【Preprocessor】>【Modeling】>【Create】>【Area】>【Arbitrary】>【Through Kps】。生成甲板平面之后的模型：2.2.3平臺有限元模型劃分在第2 步的單元類型定義中，定義了PIPE20、PIPE59、BEAM4、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)模型進行劃分網(wǎng)格生成有限元模型。1）導(dǎo)管架網(wǎng)格劃分PIPE20 和PIPE59 都是用來劃分導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，PIPE20 選用1 號材料屬性，單元截面由外徑和壁厚確定；PIPE59 采用2 號材料屬性，由

51、外徑、壁厚及一系列流體參數(shù)確定單元屬性。不同規(guī)格的桿件需要結(jié)合相應(yīng)的實常數(shù)，所有被劃分線段的網(wǎng)格劃分數(shù)NDIV 為1。通過菜單路徑【Main Menu】>【Preprocessor】>【Meshing】>【Mesh Tool】。2）甲板平面梁網(wǎng)格劃分BEAM4 單元用來劃分甲板梁。所有BEAM4 單元采用1 號材料屬性，5 號實常數(shù)，線段網(wǎng)格劃分段數(shù)為3。通過菜單路徑【Main Menu】>【Preprocessor】>【Meshing】>【MeshTool】。命令流同導(dǎo)管架網(wǎng)格劃分。3）甲板平面網(wǎng)格劃分SHELL63 單元用來劃分甲板平面。所有SHELL4

52、3 單元采用1 號材料屬性，6 號實常數(shù)。通過菜單路徑【Main Menu】>【Preprocessor】>【Meshing】>【MeshTool】。為了便于觀察，選取菜單路徑【Utility Menu】>【PlotCtrls】>【Style】>【Size and Shape】，彈出“Size and Shape”對話框，打開“Display of element shapes on real constant descriptions”選項，模型將以實際形狀顯示。2.3、波流耦合作用下導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)靜力分析2.3.1結(jié)構(gòu)整體靜力分析（1）設(shè)置分析類型選

53、擇菜單路徑【Main Menu】>【Solution】>【Analysis Type】>【New Analysis】，選擇“Static”，點擊【OK】按鈕退出。（2）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(dǎo)管架底端四節(jié)點全部選上，單擊【OK】按鈕，彈出位移屬性設(shè)置對話框，選中【All DOFS】，單擊【OK】按鈕退出。（3）施加載荷1）施加

54、波流載荷：按波流同方向作用于結(jié)構(gòu)物，波浪相位角為46°。2）定義重力場：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“0，0，9.8”。（4）靜力分析求解通過菜單項【Main Menu】>【Solution】>【Solve】>【Current

55、LS】，對問題進行求解。在求解過程中會看到如圖所示的求解收斂曲線。在求解結(jié)束后，彈出Solution is done！信息提示框，關(guān)閉。單擊【Main Menu】>【Finish】菜單項，退出求解計算模塊。2.3.2 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】， 讀入最后一個子步的結(jié)果文件。2）繪制結(jié)構(gòu)整體變形圖選擇菜單路徑【Main Menu】>【General Postproc】>【Plot Results】>【Deformed Shape】

56、，在彈出的對話框中選擇【Def shape only】，顯示結(jié)構(gòu)整體變形圖，如圖所示。3）繪制結(jié)構(gòu)節(jié)點位移等值線云圖選擇菜單路徑【Main Menu】>【General Postproc】>【Plot Results】>【Contour Plot】>【Nodal Solu】， 彈出“Contour Nodal Solution Data”對話框，依次單擊【Nodal Solution】>【DOF Solution】>【Displacement vector sum】，單擊【OK】按鈕，顯示如圖所示的結(jié)構(gòu)節(jié)點位移等值線云圖。從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)發(fā)生最大位移的位

57、置位于平臺頂部，數(shù)值為0.03986m。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9-11 所示顯示結(jié)構(gòu)的米塞斯等效應(yīng)力云圖。由圖可知，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力發(fā)生在樁腿底部位置，為117MP。2.4 導(dǎo)管架平臺整體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

58、模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種技術(shù)，主要是求解結(jié)構(gòu)的自然頻率、振型以及振型參與系數(shù)等，它是所有動力學(xué)分析類型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容，其分析結(jié)果可以作為瞬態(tài)動力分析、諧響應(yīng)分析和譜分析等其他動力分析的基礎(chǔ)。因此本節(jié)將對所建立的導(dǎo)管架平臺進行模態(tài)分析。2.4.1結(jié)構(gòu)模態(tài)計算（1）設(shè)定模態(tài)分析類型重新進入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】。（2）設(shè)置分析選項選擇菜單路徑【Main Menu】>【Solution】>【Analysis Typ

59、e】>【Analysis Option】，彈出“Modal Analysis”對話框，模態(tài)提取方法采用【Block Lanzcos】，提取模態(tài)數(shù)設(shè)為“6”。（3）擴展模態(tài)設(shè)置選擇菜單路徑【Main Menu】>【Solution】>【Load Step Opts】>【ExpansionPass】>【Single Expand】>【Expand Modes】， 彈出“Expand Nodes”對話框，模態(tài)擴展數(shù)設(shè)為“6”。（4）定義位移邊界條件選擇菜單路徑【Main Menu】>【Solution】>【Define Loads】>【Apply】>【Structura