两腿三桩简易平台设计说明书带开题
两腿三桩简易平台设计说明书带开题,两腿三桩,简易,平台,设计,说明书,仿单,开题
评阅教师评阅标准及评阅意见表(理、工、农、医类专业用表)学生姓名院(系、中心)专业年级论文(设计)题目两腿三桩简易平台设计评价项目评价标准(A级)满分评 分ABCDE选题质量选题符合专业培养目标,体现综合训练要求;题目具有适当难度,有一定的理论意义或实际意义2019-2017-1815-1613-1412文献资料利用能力能独立地利用多种方式查阅中外文献;能正确翻译外文资料;能正确有效地利用各种文献资料10109876实验研究能力研究方案设计合理;实验方法科学;技术路线可行;实验数据可靠;计算正确;理论分析合乎逻辑;动手能力强;能独立完成研究任务;研究结果客观真实;能综合运用所学知识发现和解决实际问题2019-2017-1815-1613-1412论文(设计)质量结构严谨,逻辑性强;语言文字表达准确、流畅;格式、图、表规范;有一定的学术水平或应用价值3028-3025-2722-2419-2118创新能力体现较强的创新意识;应用新理论、新方法,解决新问题;工作有独到见解或新突破10109876工作态度和工作量工作认真主动;作风扎实严谨;工作量饱满;圆满完成了任务书所规定的各项任务10109876总分是否同意将该论文(设计)提交答辩:是( )否( )具体评阅意见评阅教师(签名)_ 年 月 日评阅教师姓名职称或学位工作单位主要讲授课程/研究方向注:1、请参照A级标准,对论文(设计)分项打分,并填写在相应项目评分栏中。2、计算出总分。若总分60分,或“选题质量”12分或“论文(设计)质量”18分,不能提交答辩;该论文(设计)须限期修改合格后重新评阅和申请答辩。3、具体评阅意见栏不够用时可另附页。 评阅教师评阅标准及评阅意见表 (理、工、农、医科用表)学生姓名院(系、中心)专业年级论文(设计)题目两腿三桩简易平台设计评价项目评价标准(A级)满分评 分ABCDE选题质量选题符合专业培养目标,体现综合训练要求;题目具有适当难度,有一定的理论意义或实际价值2019-2017-1815-1613-1412文献资料利用能力能独立地利用多种方式查阅中外文献;能正确翻译外文资料;能正确有效地利用各种文献资料10109876实验研究能力研究方案设计合理;实验方法科学;技术路线先进可行;理论分析和计算正确;实验数据准确可靠;动手能力强;能独立完成研究任务;能综合运用所学知识发现和解决实际问题;研究结果客观真实2019-2017-1815-1613-1412论文(设计)质量论文(设计)结构严谨,逻辑性强;语言文字表准确流畅;格式、图、表规范;有一定的学术水平或实际价值3028-3025-2722-2419-2118创新能力有较强的创新意识;所做工作有较大突破;论文(设计)有独到见解10109876工作量工作量饱满;圆满完成了任务书所规定的各项任务10109876总分是否同意将该论文(设计)提交答辩:是( )否( )具体评阅意见:该毕业设计通过简易单井平台的设计,完成了平台的选型、平台的型式和尺寸的确定,环境载荷计算,静力分析,动力分析,桩基承载力计算等设计工作,达到了毕业设计的要求,同意其答辩。修改:1.全文公式没有编号;218页黑底的ANSYS模型图可能打印质量不够且没有图标题;3.表6-1需重新编辑;4. 图7-1至7-4可能打印质量不够而且不说明更多问题,建议去掉他们;图8-1至8-4可能打印质量不够,图标题中应说明一下振型方向;4. 图8-5至图8-11所得结果的波浪输入条件是什么?图8-10应为加速度时程曲线。评阅教师(签名)_ 2007 年 6 月 10 日评阅教师姓名职称学历/学位工作单位主要讲授课程/研究方向石湘副教授研究生/博士中国海洋大学结构有限元/平台损伤检测 答辩记录及成绩评定表答辩人姓名院(系、中心)专业年级论文(设计)题目:两腿三桩简易平台设计评价项目评价标准(A级)满分具 体 评 分ABCDE论文(设计)质量结构严谨,逻辑性强;文字表达准确流畅;条理清楚,重点突出;格式、图、表规范;具有一定的学术水平或实际价值5046-5041-4536-4031-3530论文(设计)报告、讲解情况概念清楚,思路清晰;表达准确,重点突出,详略得当;报告时间符合要求2019-2017-18-15-1613-1412答辩表现思维敏捷,语言流畅,回答问题准确,有专业深度;仪态端庄,精神风貌好3028-3025-2722-2419-2118总 分答辩中提出的主要问题及回答的简要情况:答辩日期: 2007 年 6 月 15 日 答辩秘书签字: 答辩委员会评语:答辩委员会成员(签名): 答辩委员会主任(签名): 年 月 日论文(设计)成绩评定等级:院(系)学位委员会主席(签名): 年 月 日 分类号密级 UDC XXXX(设计) 两腿三桩简易平台设计 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 专业年级 论文答辩日期 20XX 年 6 月 15 日 XXXX 两腿三桩简易平台设计摘 要. 随着社会经济的发展,人们对能源的需求不断扩大,海洋石油资源逐步成为新的能源增长点。因此作为海上石油开采的立足点一海洋采油平台的作用越来越重要。我国己经探明的边际油田储量为13亿吨,无论是对国家、石油开采部门,还是对平台结构设计研究者,开发和建造一种轻型、安全、可靠的海洋平台对开采边际油田是至关重要的。本文针对浅海边际油田的特点,从投入成本和产出效益角度考虑,设计了一种导管架式两腿三桩简易平台。运用ANSYS有限元软件,建立平台有限元模型。在考虑了海风、海流、海冰和波浪等环境荷载的基础上,对其结构进行了静力分析和动力分析。分析结果表明,该平台在各种载荷的作用下,完全满足强度和稳定性要求,具有较大的安全储备。 关键词 简易平台 边际油田 导管架 ANSYSThe Design Of Two-Legs Jacket PlatformAbstractWith the rapid development of economy in China, the need of energy source is increasing continually. The exploitation of offshore oil field is the key to make up the lack of continental oil field. The platform becomes important increasingly.The proved reserve of marginal oil field exceeds 1.3 billion tons in offshore. For our country , the exploiting department or designer, it is crucial to invent and manufacture a kind of light, safe and reliable platform to exploit the marginal oil field. Aimed at the characteristic of marginal oil field,and considered the cost and benefit, this paper designs simple jacket platform with three pipes,one of which is under water. Firstly, founded FEM models by means of the software ANSYS. Considered the load of wind,ice,wave and ocean current, static and dynamic analysis on the single-leg jacket platform was employed.The results shows that the jacket platform satisfies the request of strength and stability.Keywords:simple platform;marginal oil field ;jacket platform; ANSYS 目 录第一章 前言1第二章 环境条件和设计依据32.1平台用途和主要功能32.2环境条件32.2.1 工作水深32.2.2 潮位32.2.3 波浪32.2.4 海流32.2.5 风速:32.2.6 海冰42.2.7 海生物42.2.8 腐蚀和磨损42.3土壤条件42.4设计寿命42.5 平台用钢材52.6 使用年限52.7 依据规范5第三章 有限元法及计算程序63.1 ANSYS有限元分析软件概况63.2 ANSYS的简介63.2.1有限元法的基本思路63.2.2 ANSYS软件的简介73.3 Beam188单元特性73.4 Pipe16单元特性83.5 Pipe59单元特性83.6 Mass21单元特性9第四章 平台选型及其主尺度104.1 平台的基本概况104.2 平台选型104.3 平台主尺度13第五章 建立计算模型155.1 结构简化155.2 边界条件155.3 计算程序155.4 计算模型155.4.1 桩腿和导管架重合部分壁厚等效155.4.2单元类型及实常数165.4.3 材料属性175.4.4 几何模型的建立185.4.5 网格划分19第六章 载荷计算及组合工况206.1 风载荷206.1.1计算公式206.1.2 计算结果206.2 冰载荷236.2.1 计算公式236.2.2 计算结果236.3 波浪、流载荷246.3.1 计算公式246.3.2 计算结果256.4 甲板设备载荷266.5 工况和载荷组合情况266.5.1 载荷组合依据266.5.2 载荷工况27第七章 平台静力分析287.1平台位移287.2平台应力30第八章 平台动力分析348.1 平台模态分析348.2 波浪作用下的动力响应分析36第九章 桩基强度校核429.1 轴向承载力校核429.1.1 轴向承载力计算公式429.1.2 轴向承载力计算结果449.1.3 轴向承载力校核44第十章 总结46参考文献 参考文献1王晖,叶书程,于皓.冰激震动下建议平台的优化设计。天大建工学院;海洋石油工程股份有限公司.海洋技术,2005年12月,第24卷,第4期,1-42李玉珊,刘杰鸣,贾旭,张保军.简易平台研究优化结构设计.中国海上油气工程,1999,11(6):9123中国船级社.海上固定平台入级与建造规范.20034许亮斌,陈国明.简易平台技术的发展与展望.中国海上油气工程,2001年4月,第13卷第2期:155中华人民共和国石油天然气行业标准.浅海钢质固定平台结构设计与建造技术规范,SY/T 4094-95.北京:业出版社,19976李治彬.海洋工程结构.哈尔滨工程大学出版社。7王立肿.简易平台技术的研究.中国海洋平台.2006年4月,第21卷第2期:41448刘鸿文.材料力学.第四版.高等教育出版社,2004年1月。378379,4084099张波.盛和太. ANSYS有限元树枝分析原理与工程应用.清华大学出版社,2005年9月第一版.1-14710夏文秀.史青录.王佩楷.AotoCAD2007中文版实用教程.机械工程出版社.2007年1月第一版.335-36511董胜、孔令双 海洋工程环境概论 中国海洋大学出版社 2005.412James David Stear.A Simplified Structural Assessment Method for Jacket-Type Platforms in Seismically-Active Regions.University of California at Berkeley.Spring1999.13ABS.Rules for Building and Classing Offshore Installations.American Bureau of Shipping,Two World Trade Center,106th Floor,New York,NY 10048 USA 致谢本篇设计是在XX教授的细心指导下完成的。在做设计时,杨老师为我们提供良好的环境,并在做设计的这两个多月里,杨老师定期组织答疑,及时纠正设计中存在的问题,使我少走了许多弯路。在相处的这段时间里,我对杨老师博学的知识、深入浅出的教学方法以及为人处世的方式深感佩服。这段时间的相处,使我受益匪浅,在此对杨老师表示深深感谢。在做设计期间还得到了王树青老师,石湘老师,张兆德老师和黄维平老师的热情指导和无私帮助,在此对于老师们深表感谢。在设计期间,与我同组的陈常龙和朱烽同学也在设计过程中给娱乐很大的帮助,在此表示感谢。随着毕业设计的完成,我的大学四年生活即将画上一个句号。与共同相处了四年的同学们也即将分离,在此对于陪我度过这四年时光的舍友,同学,以及曾帮助过我的人表示感谢,我从你们身上获得了很多,也学到了很多。希望你们在迈出校门之后,能够一帆风顺,大展宏图! 指导教师评分标准及评阅表(理、工、农、医类专业用表)学生姓名院(系、中心)专业年级论文(设计)题目两腿三桩简易平台设计评价项目评价标准(A级)满分评 分ABCDE选题质量选题符合专业培养目标,体现综合训练要求;题目具有适当难度,有一定的理论意义或实际意义2019-2017-1815-1613-1412文献资料利用能力能独立地利用多种方式查阅中外文献;能正确翻译外文资料;能正确有效地利用各种文献资料10109876实验研究能力研究方案设计合理;实验方法科学;技术路线可行;实验数据可靠;计算正确;理论分析合乎逻辑;动手能力强;能独立完成研究任务;研究结果客观真实;能综合运用所学知识发现和解决实际问题2019-2017-1815-1613-1412论文(设计)质量结构严谨,逻辑性强;语言文字表达准确、流畅;格式、图、表规范;有一定的学术水平或应用价值3028-3025-2722-2419-2118创新能力体现较强的创新意识;应用新理论、新方法,解决新问题;工作有独到见解或新突破10109876工作态度和工作量工作认真主动;作风扎实严谨;工作量饱满;圆满完成了任务书所规定的各项任务10109876总分是否同意将该论文(设计)提交答辩:是( )否( )具体评阅意见:指导教师(签名)_ 年 月 日指导教师姓名职称或学位工作单位主要讲授课程/研究方向杨永春教授中国海洋大学注:1、请参照A级标准,对论文(设计)分项打分,并填写在相应项目评分栏中。2、计算出总分。若总分60分,或“选题质量”12分或“论文(设计)质量”18分,不能提交答辩;该论文(设计)须限期修改合格后重新评阅和申请答辩。3、具体评阅意见栏不够用时可另附页。 两腿三桩简易平台设计摘 要. 随着社会经济的发展,人们对能源的需求不断扩大,海洋石油资源逐步成为新的能源增长点。因此作为海上石油开采的立足点一海洋采油平台的作用越来越重要。我国己经探明的边际油田储量为13亿吨,无论是对国家、石油开采部门,还是对平台结构设计研究者,开发和建造一种轻型、安全、可靠的海洋平台对开采边际油田是至关重要的。本文针对浅海边际油田的特点,从投入成本和产出效益角度考虑,设计了一种导管架式两腿三桩简易平台。运用ANSYS有限元软件,建立平台有限元模型。在考虑了海风、海流、海冰和波浪等环境荷载的基础上,对其结构进行了静力分析和动力分析。分析结果表明,该平台在各种载荷的作用下,完全满足强度和稳定性要求,具有较大的安全储备。 关键词 简易平台 边际油田 导管架 ANSYSThe Design Of Two-Legs Jacket PlatformAbstractWith the rapid development of economy in China, the need of energy source is increasing continually. The exploitation of offshore oil field is the key to make up the lack of continental oil field. The platform becomes important increasingly.The proved reserve of marginal oil field exceeds 1.3 billion tons in offshore. For our country , the exploiting department or designer, it is crucial to invent and manufacture a kind of light, safe and reliable platform to exploit the marginal oil field. Aimed at the characteristic of marginal oil field,and considered the cost and benefit, this paper designs simple jacket platform with three pipes,one of which is under water. Firstly, founded FEM models by means of the software ANSYS. Considered the load of wind,ice,wave and ocean current, static and dynamic analysis on the single-leg jacket platform was employed.The results shows that the jacket platform satisfies the request of strength and stability.Keywords:simple platform;marginal oil field ;jacket platform; ANSYS目 录1 前言. . .12 环境条件和设计依据. .32.1 平台用途和主要功能. .32.2 环境条件.32.2.1 工作水深.32.2.2 潮位. . .32.2.3 波浪. . .32.2.4 海流. . .32.2.5 风速. . .32.2.6 海冰. . .42.2.7 海生物. .42.2.8 腐蚀和磨损. .42.3 设计寿命. . . .42.4 平台用钢材. .42.5 使用年限. .42.6 设计依据. .43 有限元法及计算程序. .53.1 ANSYS有限元分析软件概况. .53.2 ANSYS的简介.53.2.1 有限元法的基本思路. .53.2.2 ANSYS的简介.63.3 Beam188单元特性.63.4 Pipe16单元特性.73.5 Pipe59单元特性.73.6 Mass21单元特性.84 平台选型与主尺度.94.1 平台的基本情况.94.2 平台选型. .94.3 平台主尺度. .125 建立计算模型. .145.1 结构简化. .145.2 边界条件. .145.3 计算程序. .145.4 计算模型. .145.4.1 桩腿与导管架重合部分壁厚等效. .145.4.2 单元类型及实常数. . .155.4.3 材料属性. .165.4.4 几何模型的建立. . .175.4.5 网格划分. .186 载荷计算与工况组合. . .196.1 风载荷. . . .196.1.1 计算公式. .196.1.2 计算结果. .196.2 冰载荷. . .216.2.1 计算公式. .226.2.2 计算结果. .226.3 波浪、流载荷. .226.3.1 计算公式. .226.3.2 计算结果. .236.4 甲板设备载荷. .246.5 工况和载荷组合情况. .246.5.1 载荷组合依据.256.5.2 载荷工况.257 平台静力分析. . .267.1 平台位移. . .267.2 平台应力. .288 平台动力分析. .328.1 平台模态分析.328.2 波浪作用下的动力分析.359 桩基强度校核. . .409.1 轴向承载力校核. . .409.1.1 轴向承载力计算公式. . .409.1.2 轴向承载力计算结果. . .429.1.3 轴向承载力校核. . .439.2 侧向承载力校核. . .439.2.1 侧向承载力计算公式. . .449.2.2 侧向承载力计算结果. . .4810 总结. . . .49第一章 前言随着社会的发展和科学技术的进步,人类社会对能源的需求越来越大。陆地上的油气资源经过长时期大规模的开发之后已日趋枯竭,油气勘探与开发渐渐转向了资源丰富的海洋,并形成了投资高、风险大并且高新技术密集的海洋工程产业。目前世界上己有39个国家(或地区)从事近海石油开发,22个国家(或地区)从事近海天然气开发。而现在随着大陆架浅海石油勘探开发技术的进步,海上石油开发中大陆架石油的开发占其中很大一部分。我国海域辽阔,其中大陆架面积约有110万平方公里,渤海,黄海,东海和南海都有大面积的沉积盆地,其中具有油气勘探价值的面积在60万平方公里以上,即一半以上的海域有宝贵的石油。预测的石油储量达250亿吨,这是我国海上石油天然气开发的丰富资源基础。我国从1957年便已开始进行海洋石油勘探开发,从1979年实行改革开放以来,我国的海上石油开发更是进入高速发展期,到2005年,我国的海上原油生产能力已达到4000万吨。目前海洋石油己成为我国重要的原油生产基地。但是由于地质条件等原因,海底石油的分布是不规则的,并不是所有油田的储量都很大,尤其在浅海已探明有很大部分小油田,如果按大油田投资规模来开采这些小油田很可能得不偿失。这些油田被称为边际油田。与已经开发的油田相比,这些边际油田的总储量相当可观。在石油消耗量日益增加而石油储藏量日趋减少的今天,如何经济地开发边际油田,已成为石油工业的热门话题。而怎样选择一个最优的边际油田开发方案,即采用哪种类型的采油平台,则是一个急需解决的决策课题。边际油田开发,节省工程投资是很重要的一环,只有降低建设投资和控制生产成本才具有经济价值,适用于边际油田和极浅海区油田开发的轻型平台技术具有在边际油田开发中良好的应用前景。本文进行了浅海20米水深两腿三桩式简易平台的设计,主要包括以下几方面内容:1 进一步了解有限元计算软件ANSYS在平台设计中的应用2 平台选型、主尺度和构件尺寸的确定;3 环境载荷计算及各工况载荷的组合;4 建立ANSYS模型,进行结构有限元分析;5 利用ANSYS程序对平台进行静力强度校核;6 利用ANSYS程序对平台进行动力分析;7 桩基承载力计算。第二章 环境条件和设计依据2.1平台用途和主要功能 此平台为两腿三桩式简易平台,用于开采渤海某边际油田,包括甲板、导管架、桩基等部分。平台上部布置一个吊车和设备室,甲板设备总重量为90吨。2.2环境条件2.2.1 工作水深平台工作处平均水深 20m2.2.2 潮位校核高水位(50 年重现期): 3.08m 校核低水位: -2.32m设计高水位: 1.48m 设计低水位: -0.69m黄海平均海平面 0.00m2.2.3 波浪(50 年重现期)校核高水位最大可能波高 10.2m 对应波浪周期 10.3s设计高水位最大可能波高 8.0m 对应波浪周期 8.6s2.2.4 海流最大流速(50 年重现期) 1.69m/s最大流速(20 年重现期) 1.02m/s2.2.5 风速:冰作用下,设计风速28m/s;波浪作用下,设计风速51.5m/s。2.2.6 海冰设计冰厚 40cm,极限抗压强度 2244kPa。2.2.7 海生物平均海平面以下的构件考虑2cm 的海生物附生。2.2.8 腐蚀和磨损飞溅区的构件腐蚀裕量考虑3mm 飞溅区定义为标高-2.68m5.54m冰接触区构件磨损量考虑1mm 冰接触区为标高-0.60m1.50m2.3土壤条件 地基土壤的物理学性质见表2、1表2、1 地基土壤的物理学性质土壤层号土壤名称深度水下容重剪切强度摩擦角mKN/mC(Kpa)(度)1非常软的粘土025.03.02粉砂质粘土247.08.045.158.540.05.157.558.018.03细砂7.5511.358.50304硬的细砂质粘土11.3515.2510.080.05粉砂15.2518.310.5256粉砂质细砂18.323.410.0307粉砂质粘土23.427.810.050.08粉砂27.8369.0302.4设计寿命根据任务书,平台设计寿命为15 年,设计时极端环境条件采用的环境数据的重现期均为50 年。2.5 平台用钢材平台所用钢材为:桩基础和导管架均用,甲板使用Q-235-A。按照规范要求,钢材的屈服应力为315Mpa,许用应力取189 Mpa;Q-235-A钢材的屈服应力为235 Mpa,许用应力取141 Mpa。2.6 使用年限该平台的使用年限为15年。2.7 依据规范中国船级社浅海固定平台规范 2003第三章 有限元法及计算程序3.1 ANSYS有限元分析软件概况 随着计算机技术的发展进步,SAP、MSC/NASTRAN、ANSYS等各种结构分析软件被广泛的应用到平台及导管架的设计和强度计算中,并且发挥了重要的作用。ANSYS是20世纪70年代由美国ANSYS公司研制开发的大型通用有限元分析软件,随着几十年的发展到现在,ANSYS的最新版本已达到10.0,功能更加强大完善,操作和使用也更加方便,广泛应用于航空、电子、汽车、土木工程等各个领域,能满足各行业有限元分析的需要。海洋工程涉及结构力学、流体力学、土力学与地基、海洋环境等众多科学,而ANSYS以其强大的分析求解能力完全适合海洋工程的研究与设计工作的需求。它提供了支持圆管形构件的流体静力、动力效应的Pipe59单元,能够有效模拟海洋环境中的导管架结构,可以自动计算计算构件在海水中受浮力、波浪力、流力等载荷的影响,所以在浅海平台结构的研究和设计中,ANSYS已经得到成功的运用。3.2 ANSYS的简介3.2.1有限元法的基本思路有限元法是由计算机代替人力来求解结构静、动力特性问题的数值解法,其基本思路为:1把很复杂的结构划分为若干个形状简单的单元,称为离散化,离散后单元与单元之间利用单元的节点相互联结起来,将求解区域变成为用点、线或面划分的有限数目单元组成的集合体。2通过对单元的研究来建立特性参数之间的方程,即单元分析。弹性力学中,单元分析的任务是建立联系应变和节点位移分量的方程,同时研究单元的节点力与节点位移之间的关系,以及把作用在单元中间的外载荷转化为节点载荷。3在单元分析的基础上,利用平衡条件和连续条件,将各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界条件下进行分析,从而得到整体的参数关系方程组,即矩阵方程。4求解矩阵方程,即可得到各种参数在整体结构中的分布。3.2.2 ANSYS软件的简介ANSYS为用户提供了直观的操作途径,主要包括三个模块:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。前处理模块为用户提供了一个强大的实体建模和网格划分工具,用户可以方便的构造有限元模型;分析计算模块包括静力、动力分析等计算分析;后处理模块可以将计算结果以彩色图形的方式显示出来,也可以将计算结果以图表,曲线的形式显示和输出。软件可以提供100多种以上的单元类型,用来模拟工程总的各种结构和材料。下面列举分析本文中简易平台的几种单元的特性:Beam188、Pipe16、Pipe59以及Mass21单元。3.3 Beam188单元特性BEAM188 适用于分析细长的梁。 在本文中用于定义甲板上的梁单元。元素是基于TimosheNko 梁理论的。 具有扭切变形效果。BEAM188 是一个二节点的三维线性梁。 BEAM188 在每个节点上有6或7个自由度,(自由度)数目的变化是由KEYOPT(1)来控制的。当 KEYOPT(1) = 0时 (默认), 每节点有6个自由度。 分别是沿x,y,z的位移及绕其的转动。 当 KEYOPT(1) = 1时,会添加第七个自由度 (翘曲量) 。此元素能很好的应用于线性(分析),大偏转,大应力的非线性(分析)。在将单元为BEAM188之后,可以在PreprocessorsectioNcommoN sectioNs中选取相应的类型进行定义。图3、1 BEAM188 3-D 线性有限应变梁3.4 Pipe16单元特性 Pipe16是一种单轴单元,具有拉压、扭转、和弯曲性能。The element has six degrees of freedom at two nodes: translations in the nodal x, y, and z directions and rotations about the nodal x, y, and z axes. 该单元在两个结点有6个自由度:沿节点X,Y,Z方向的平移和绕结点X,Y,Z轴的旋转。0该单元基于三维梁单元(BEAM4),包含了根据对称性和标准管几何尺寸进行的简化。图3、2 PIPE16 几何描述在本文中,Pipe16单元用于定义泥面以下的桩腿。单元的数据输入包括2个或3个节点,管的外部直径(OD) 和管壁厚度(TKWALL),应力增量系数(SIF)与挠曲系数(FLEX),内部流体密度(DENSFL),外部绝缘层密度(DENSIN)与厚度(TKIN),允许侵蚀厚度(TKCORR),绝缘表面积(AREAIN), 管壁质量(MWALL), 管的轴向刚度(STIFF),基于转子动力学的自旋频率(SPIN),和各向同性材料性质。图3、3 PIPE16 应力输出图例3.5 Pipe59单元特性Pipe59单元是一种可承受拉、压、弯作用,并且能够模拟海洋波浪和水流的单轴单元。单元的每个节点有六个自由度,即沿x,y,z方向的线位移及绕X,Y,Z轴的角位移。除了本单元的单元力包括水动力和浮力效应,单元质量包括附连水质量和内部水质量,其余与单元pipe16相似。Pipe59还可以模拟缆索单元,和liNk8相似。这个单元还适合刚度硬化和非线性大应变问题。在本文中用于定义泥面以上的导管架单元。本单元输入数据包括:两个节点,管外径,壁厚以及一些荷载和惯性信息;各向同性材料属性;外部附着物(包括冰荷载和生物附着物);材料粘滞系数用来计算外部流体的雷诺系数。图3、3 PIPE59 的波、流作用3.6 Mass21单元特性 MASS21 是一个具有六个自由度的点元素: 即 x, y, 和 z 方向的移动和绕 x, y, 和 z 轴的转动。每个方向可以具有不同的质量和转动惯量。在平台建模中用于定义简化后的平台甲板质量。图3、4 Mass21结构质点第四章 平台选型及其主尺度4.1 平台的基本概况: 本文所设计的海洋平台位于渤海湾内,距海岸50km。该油田为边际油田,若以常规方式开发,则开发价值不大;因此,对该油田的开发必须尝试新思路,这样才能使该油田具有经济效益。该平台是一座3井口平台。在设计中对平台功能进行了全面简化,为平台的简易化创造了条件。 要设计结构简易的平台,必须具备一定的条件:(1)平台上各种设备要少,质量要轻;(2)甲板面积要小,且容易支撑;(3)井口数量较少,一般少于6口;(4)平台不设修井设备,修井作业由移动式钻井平台进行。 该平台的钻井、完并和修井,拟采用槽口式自升式钻井船进行,平台上不设修井机,甲板上的设备尽量简化吊机采用小吨位简易吊机。通过设计简化,该平台上部设施质量较轻(约90吨载荷),但因采用槽口式钻井船进行修井作业,使得甲板布置在宽度上受到限制,甲板布置成狭长的格局(16m7m)。 这样一座平台要做成简易平台,有其有利的一面,也有其不利的一面:有利的一面是甲板上部荷载较轻,平台下部容易做成轻型结构:不利的一面是甲板平面布置细长,如果用独桩设计,那么甲板边缘至隔水导管约8 m,形成很大的悬臂结构。4.2 平台选型:在渤海海域,对于这种小型平台,上部结构受到的荷载相对较小,下部结构受到的波浪力相对较大,因此下部结构受力为平台受力的主要荷载。为了降低波浪力和冰载荷的作用,必须对下部结构水面附近的构件尽可能地简化,即减少水面附近的构件数量及尺寸,以减小外部载荷。该平台在水面附近的主要构件为下部结构的腿柱和3根隔水导管,对该平合的下部结构形式,就以下几种方案进行比选。方案1:4腿4主桩平台;图4、1 4腿4主桩平台示意图方案2:3腿3主桩平台;图4、2 3腿3主桩平台示意图方案3:1腿3水下桩平台;图4、3 1腿3水下桩平台示意图方案4: 2腿2主桩加1根水下桩平台;图4、4 2腿2主桩加1根水下桩平台经计算,各方案下部结构的用钢量见表4、1:表4、1 各方案下部结构用钢量方案四桩腿平台三桩腿平台三腿一柱平台两桩腿平台用钢量(吨)370350230220由表1可以看出:方案1和方案2,因为使用桩腿较多,这两种方案下部结构的用钢量最大,均在300吨以上,但是此平台实际用途为开采边际油田,宜采用简易平台,故不予采用。前面已经说过,该平台的钻井、完并和修井,拟采用槽口式自升式钻井船进行,平台上不设修井机,因此,甲板需采用细长布置(16m7m),采用独腿方案时,因隔水导管必须靠近腿柱,这致使甲板形成很大的悬臂结构(约8 m),进而造成上部荷载偏心较大,使腿和桩的受力恶化。对这样的简易平台来说,这是很不适宜的,而且布置起来很困难。所以最终选定2腿2主桩加1根水下桩平台为设计方案。该方案平台的质量最轻,下部结构用钢量为220t。由于该方案是2腿的布置方式,结构的受力均衡,布置合理,这不仅使平台结构得到了简化,而且满足了平台的使用功能4.3 平台主尺度:此平台采用桩基导管架结构,平台结构由2主桩、1根水下桩和上部平台组成。甲板高程的确定:当波浪冲击甲板和设备时,将产生很大的力,而且海水会对甲板上的设施产生很大的破坏。为避免这一点,下甲板的底部应设置在能使设计波浪的计算波峰通过且带有适当的安全裕度的高程上。应使用重现期为100年的指导性的无方向性波高,以及适用的波浪理论和波陡来计算包括指导性风暴潮在内的风暴水位以上的波峰高程。为了确定下甲板底部梁的最小容许高程,以避免波浪冲击到甲板上,应将至少1.5m的安全裕量或空间加到波峰高程上,以考虑平台的沉降、水深的不确定性和极端波浪的可能性。对已知或预期的长期海床沉陷情况,还应增加一定的间隙。 m最终取9.0m。上部结构由两根立柱、甲板、梁格和斜撑组成。甲板主尺寸为16m7m,平台梁的中心线标高为9.0m。平台梁采用热轧工字型钢焊接而成,主梁采用热轧工字型钢40a,次梁采用热轧工字型钢32b。立柱采用140032钢管,主梁与立柱之间的斜撑采用65024钢管。此平台采用桩基导管架结构,平台是由2主桩、1根水下桩和上部平台组成。导管架采用2腿2主桩1水下桩型式,2个水下主桩在铅锤平面内,空间倾斜度为10:1,水下桩竖直。导管架顶标高4.6m,底标高-22.m,导管采用140032钢管,水下导管顶标高-14m,底标高-22.m,导管采用140032钢管,主桩在节点处设计加强段,采用140038钢管。两主桩上的斜撑,采用80026钢管,连接两主桩和水下桩的斜撑采用100032钢管。在标高-11m处设一水平拉筋,水下导管架水平面为等腰梯形,拉筋采用65024钢管,在标高-20m处设水平拉筋,水下导管架水平面为等腰三角形,外拉筋也是采用65024钢管,内拉筋采用40624。水下桩采用130030的钢管桩,桩顶标高为4.6m,桩入土36m。桩与水下导管架顶采用机械连接装置连接,同时桩与导管架腿之间的环形空间内灌注PEA砂浆(聚合物水泥砂浆)。第五章 建立计算模型5.1 结构简化该平台由甲板、导管架及桩基组成,甲板是板梁结构,甲板上的设备重量作为载荷加在立柱上和甲板斜撑点上。5.2 边界条件平台以桩为基础,导管架下部的边界条件应考虑桩与土之间的相互作用。为简化计算,将桩的下部模拟为一刚性固端。刚性固定端位于设计泥面垂直向下8m处。(6-8倍桩径)5.3 计算程序平台结构计算分析采用国际通用的结构分析软件ANSYS,此处使用的是ANSYS10.0版本。5.4 计算模型5.4.1 桩腿和导管架重合部分壁厚等效结构模型化的过程中,出于计算简洁和方便建模的目的,根据刚度相等原则,将桩腿的壁厚等效到外层的导管架上。对于管单元,惯性矩IZ的计算公式: 式5、1 式中:D管的外径; d管的内径。根据刚度相等,得出: 式5、2设等效后的单元的外径D、内径d;导管架的外径D1、内径d 1;桩腿的外径D2、内径d 2。取D= D1由得出:即d4d14+d24 + - D24导管架为140032时,d4(1400-64)4+(1300-60)4-130042.691012d1281导管架为140038时,d4(1400-76)4+(1300-60)4-130042.581012d1268即等效后导管架的尺寸分别为140055、140066。5.4.2单元类型及实常数新建单元类型该模型共包括mass21、pipe16、pipe59、beam188四种单元类型,此操作的菜单路径为“Preprocessor ElemeNt TypeAdd/Edit/Delete Add select”定义单元实常数选择菜单路径“: Preprocessor Real CoNstaNts Add select Type * OKiNput ”,选择需要添加实常数的单元类型。该平台中甲板梁选用Beam188单元,导管架泥面以上选用Pipe59单元,泥面以下选用Pipe16单元,甲板上部质量快选用Mass21单元。各单元输入的实常数列于表 5、1中。表5、1 Pipe59与Pipe16实常数的输入(单位:m)编号1234单元类型Pipe59Pipe16Pipe59Pipe16外径DO1.31.41.41.3管厚TWALL0.0300.0660.0550.030编号5678单元类型Pipe59Pipe59Pipe59Pipe59外径DO0.80.650.4061.2管厚TWALL0.0260.0240.0240.032对于以上7项Pipe59单元的实常数,还需输入以下系数:拖曳力系数CD:0.7惯性系数CM: 2附加质量比CI: 1浮力比系数CB: 1表5、2 Beam188截面实常数(单位:m)工字梁W1W2W3t1t2t310.1440.1440.40.01650.01650.012520.1320.1320.320.0150.0150.0115表5、3 Mass21实常数的输入(单位:kg)编号MassXMassYMassZ83000030000300009500050005000 建模中两主桩的顶端各加载30吨的质量块,甲板斜撑端点加载分别加载5吨的质量块。5.4.3 材料属性根据结构选用的钢材,需输入的材料属性包括: 弹性模量EX:2.07e+11(N/) 泊松比PRXY:0.3密度DENS:7800(kg/m3)他们定义的路径分别如下所示:菜单路径 “Preprocessor Material Props Material Models Structural LiNear Elastic Isotropic iNput EX:2.06e11, PRXY:0.3 OK”菜单路径“Preprocessor Material Props Material Models Structural DeNsityiNput DENS:7800 OK”Water table的定义在载荷计算里会有介绍,这里就不赘述。5.4.4 几何模型的建立创建关键点根据原始图纸,计算出各关键点坐标,并将其输入ANSYS程序。有部分关键点是直接由“PreprocessorModeliNCreate KeypoiNts IN Active CS”来定义,而有些关键点是由ANSYS程序“Preprocessor ModeliNg Move/Modify KeypoiNts”操作镜像而来。通过关键点创建直线,完成几何模型的建立通过ANSYS程序“Preprocessor ModeliNg Create LiNes liNes Straight liNes”的操作,在相关的关键点之间创建直线。重力加速度和约束定义重力加速度的菜单路径为“SolutioN DefiNe Loads Apply Structural INertia Gravity Global”,在ACELZ(Z向加速度)项中填入9.8。加约束的菜单路径为“PreprocessorloadsdefiNe loadsapplystructuraldisplacemeNt”选择All DOF,确定。如此既可以生成下面的几何模型。图5、1平台的几何模型5.4.5 网格划分为了得到比较精确的计算结果,需要对平台结构进行网格划分(Mesh),该模型是有点和线构成的,对线进行网格划分可得到管单元和梁单元,对点网格划分可得到质量单元。执行Mesh命令之前应对各杆件分配其实常数、材料属性等特性,设置网格大小,此处采用自动划分,生成如下模型。建模完成。把单元类型赋给几何模型对于导管架、桩腿、以及甲板主梁,选择“Preprocessor MeshiNg Mesh Tool(Size CoNtrols) liNes: Set ”,拾取相应的线定义属性。对于质量点单元,选择“Preprocessor MeshiNg Mesh Tool(Size CoNtrols) key pioNts: Set ”定义属性。选择自由网格划分在“Mesh Tool”对话框中,选择复选框Smart Size,激活其下的滚动条,调整划分网格的精度为“6”。选择“mush”分别对点和线进行网格划分。最终生成模型如下图:图5、2 平台整体模型第六章 载荷计算及组合工况6.1 风载荷 计算风浪载荷组合时风速采用51.5m/s,计算风冰组合时风速采用28m/s。6.1.1计算公式:作用于平台上的风载荷按下式计算: 式6、1式中 p风压;A结构垂直于风向的投影面积。载荷作用在上述投影面积的中心位置。 式6、2其中,结构所承受的风压为:为基本风压,标准高度为海面上10m 式6、3式中 风压的高度系数;构件形状Cs球0.4圆柱0.5大平板1.0 钻井架1.25甲板以下暴露的梁和桁材1.3孤立结构1.5构件的形状系数。、取值见下表 表6、1风压的高度系数 表6、2构件的形状系数h(m)CH015.31.00 15.330.51.10 30.546.01.20 46.061.01.30 61.076.01.37 76.091.51.43 其中h(m)为构件距离海平面的高度6.1.2 计算结果风、浪、流工况下风、浪、流工况下X向风载计算结果:(表)风速51.5m/s表6、3风、浪、流工况下X向风载计算结果名称底部位置 b或RhCh Cs P0(Pa)P(Pa) F(kN)作用点(m)M(kN*m)工作间9.48.05.0111626162665.011.9773.9甲板9.010.00.411162616266.59.259.8甲板斜撑16.00.812.010.516268137.87.558.5甲板斜撑26.00.820.010.51626813137.597.6 桩腿01.418.010.5162681320.54.592.2导管架斜撑00.87.010.516268134.62.09.1导管架横撑16.00.658.010.516268134.26.025.4导管架横撑24.00.658.010.516268134.24.016.9合125.8合1133.4合力作用点:1134/125.8=9.01m等效载荷 F=125.8kN M=125.8X(9.01-9)= 0.8kN*m作用点距静水面9米风、浪、流工况下Y向风载计算结果:(表)风速51.5m/s表6、4 风、浪、流工况下Y向风载计算结果名称底部位置 b或RhCh Cs P0(Pa)P(Pa) F(kN)作用点(m)M(kN*m)工作间9.45.05111626162640.611.9483.7甲板9.07.00.411162616264.69.241.9甲板斜撑16.00.814.41116268139.46.056.2甲板斜撑26.00.816.811162681310.94.043.7 桩腿01.41811162681320.59.0184.4 导管斜撑200.841116268132.62.05.2合88.6合815.0合力作用点:815/886=9.2m等效载荷 F=88.6kN M=88575(9.2-9)= 17.9kN*m 作用点距静水面9米风、冰、流工况下风、冰、流工况下X向风载计算结果:(表)风速28m/s表6、5 风、冰、流工况下X向风载计算结果名称底部位置 b或RhCh Cs P0(Pa)P(Pa) F(kN)作用点(m)M(kN*m)工作间9.48.051148148119.211.9228.8甲板9.010.00.4114814811.99.217.7甲板斜撑16.00.81210.54812402.37.517.3甲板斜撑26.00.82010.54812403.87.528.8 桩腿01.41810.54812406.14.527.3导管架斜撑00.8710.54812401.42.02.7导管架横撑16.00.65810.54812401.36.07.7导管架横撑24.00.65810.54812401.34.05.0合37.2合335.0合力作用点:335/37.2=9.006m等效载荷 F=37.2KN M=37.2X(9.006-9)= 0.2kN*m 作用点距静水面9米风、冰、流工况下Y向风载计算结果:(表)风速28m/s表6、6 风、冰、流工况下Y向风载计算结果名称底部位置 b或RhCh Cs P0(Pa)P(Pa) F(kN)作用点(m)M(kN*m)工作间9.45.051148148112.011.9143.0甲板9.07.00.4114814811.39.212.4甲板斜撑16.00.814.410.54812402.86.016.7甲板斜撑26.00.816.810.54812403.24.013.0 桩腿01.41810.54812406.19.054.5 导管斜撑200.8410.54812400.82.01.5合26.2合240.9合力作用点:240.9/26.2=9.202m等效载荷 F=26.2N M=26.2X(9.202-9)= 5.3kN*m 作用点距静水面9米注:在进行风力计算时,平台上的设备简化为一个8m5m5m的设备室进行计算。为了在进行强度校核时简化计算并且避免应力集中,根据力的平移法则,将风载等效为一个集中力加一个弯矩,作用于导管架顶部,作用点距静水面9米。 表格中“底部位置”均指构件底部距海平面的距离,“作用点”是指作用点距海平面的高度,“合力作用点高度”亦是指合力作用点距海平面的高度。6.2 冰载荷 设计冰厚为设计冰厚 40cm,极限抗压强度 2244kPa,按大面积并排对平台的挤压作用考虑。6.2.1 计算公式:作用于平台上的冰载荷按下式计算: 式6、4式中:桩柱形状系数,对圆截面柱采用0.9; 局部挤压系数,按AfaNsev公式确定; 桩柱与冰层的接触系数; 桩柱宽度(或直径); 冰层计算厚度。6.2.2 计算结果根据CCS规范接触系数=0.45;由公式得:对于桩腿=1.56,对于斜撑=1.87由图纸资料:b=1.4m h=0.40m。则单个桩腿所受的冰载荷为:0.91.560.451.40.402244=882kN斜撑受到的冰载荷为:0.91.870.450.80.402244=544kN考虑群桩产生的遮蔽效应和堵塞作用,受遮蔽的桩腿受到的冰载荷为: 0.30.3882265 kN 0.30.3882165 kN6.3 波浪、流载荷6.3.1 计算公式:对小尺度圆形构件,垂直于其轴线方向单位长度上的波浪力, 当D/L0.2(D为圆形构件直径,m;L为设计波长,m)时,可按MorisoN公式计算: N/m 式6、5式中: 海水密度,kg/m3 ; 垂直于构件轴线的阻力系数。必要时,应尽量由试验确定。在实验资料不足时,对圆形构件可取=0.61.0; 惯性力系数,应尽量由试验确定,在实验资料不足时,对圆形构件可取2.0; 水质点相对于构件的垂直于构件轴线的速度分量,m/s, 为其绝对值,当海流和波浪联合对平台作用时,为水质点的波浪速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量; 水质点相对于构件的垂直于构件轴线的加速度分量,m/s2。当只考虑海流作用时,圆形构件单位长度上的海流载荷按下式计算: N/m 式6、6式中: 阻力系数; 海水密度,kg/m3; 设计海流速度,m/s; 单位长度构件垂直于海流方向的投影面积,m2/m。设计海流速度采用平台使用期间可能出现的最大流速。 6.3.2 计算结果:在ANSYS程
收藏