两腿三桩简易平台设计说明书带开题
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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 对ANSYS有限元软件的学习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分析,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。0.2),选用斯托克斯五阶波进行计算,斯托克斯五阶波相关公式如下:波面方程为: 式6、4迭代求L、方程为: 式6、5其中为深水波长 式6、6速度势方程为: 式6、7相位角为: 式6、8波形系数: 式6、9速度势函数: 式6、10其中 、为系数。6.4 甲板设备载荷该平台为采油平台,其设备总重约为90吨,计算时甲板载荷等效为质量单元,分别加在主桩和甲板斜撑上;平台结构的自重通过输入z轴方向的重力加速度(9.8m/)由ANSYS程序自动生成。6.5 工况和载荷组合情况6.5.1 载荷组合依据平台应按对结构产生最恶劣影响的适当的荷载条件进行设计。荷载条件应包括适当的固定荷载和活荷载按下面的形式相结合的环境条件:1. 固定荷载和相应于平台正常操作的最大活荷载相组合的作业环境条件;2. 固定荷载和相应于平台正常操作的最小活荷载相组合的作业环境条件;3. 固定荷载和相应于与极端条件相组合的最大活荷载组合的设计环境条件;4. 固定荷载和相应于与极端条件相组合的最小活荷载组合的设计环境条件。6.5.2 载荷工况1 波流工况1)X方向上(0方向), 波浪力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重2)Y方向上(90方向),波浪力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重2 海冰工况1)X方向上(0方向), 冰力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重2)Y方向上(90方向),冰力+海流力+风力+结构自重+甲板设备重第七章 平台静力分析7.1平台位移使用ANSYS结构分析软件可对平台的各工况进行结构静力分析,由后处理器可输出结构位移。各工况平台最大节点位移见下表,各工况位移图见下表7、1 各工况下结构的最大位移(mm)工况主要载荷和作用方向X方向位移Y方向位移合位移波流工况1波流力+风力014.80.04915.3波流工况2波流力+风力908.42.68.8海冰工况1冰流力+风力057.21.157.9海冰工况2冰流力+风力906.815.716.8平台最大水平位移发生在海冰工况1下,即海冰载荷和风载荷同时作用于X方向时,水平最大位移出现在甲板边缘,达29.4mm。图7、1 波流工况1结构位移图图7、2 波流工况2结构位移图图7、3 海冰工况1结构位移图7、4 海冰工况2结构位移图7.2平台应力同样,可以使用ANSYS结构分析软件对平台的各工况进行结构静力分析,由后处理器可输出结构应力。各工况平台最大节点应力见下表,各工况应力图见下:图7、5 波流工况1结构应力图图7、6 波流工况2结构应力图图7、7 海冰工况1结构应力图图7、8 海冰工况2结构应力图通过上述计算结果可以看出,各工况下的导管架平台结构的强度和稳定性均能满足要求,且具有较大的强度储备。 其中,在海冰工况1的作用下结构应力最大。具体应力如下:表7、2 海冰工况1作用下的结构应力构件名称形常数单元编号屈服强度(MPa)静强度(MPa)应力比桩20983155.10.01725013153.30.01125263151.60.005251731534.20.109甲板斜撑27923151.10.00423453152.10.007导管架斜撑220731535.70.113289631514.30.045斜拉杆283731526.00.082287331565.10.207水平撑6502422983154.40.01422883157.20.023图所示的是平台几个单元的具体位置图7、9 几个平台单元的位置第八章 平台动力分析8.1 平台模态分析平台模型建立后,按照菜单路径:Preprocessorsolutionanalysis typenew analysisanalysis options中选择subspace,在进行计算就可。由有Ansys计算后得出的平台前 12 阶自振频率: SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 1.6704 1 1 1 2 2.6930 1 2 2 3 3.0175 1 3 3 4 3.6266 1 4 4 5 4.9153 1 5 5 6 6.0092 1 6 6 7 9.1187 1 7 7 8 9.9917 1 8 8 9 10.157 1 9 9 10 12.587 1 10 10 11 12.725 1 11 1112 13.491 1 12 12由以上数据可知平台的最小振动周期为0.599秒,与波浪周期相差很大,不会引起共振。 平台的前几阶振型:图8、1 平台的一阶振型图8、2 平台的二阶振型图8、3 平台的三阶振型图8、4 平台的四阶振型8.2 波浪作用下的动力响应分析平台模型建立后,按照菜单路径:ANSYS Main Menu: Preprocessorsolutionanalysis typenew analysis,中选择transient。在soln controls中输入以下数据,time at end of loadstep,5-6倍周期,number of substeps,50,选择user selected 并且选择所有项目。在第二项中输入ALPHA和BETA的选项中分别输入下面求出的值和值。阻尼系数、求解Rayleigh阻尼简单方便,因而在结构动力分析中得到广泛运用,Rayleigh阻尼假设结构的阻尼矩阵是质量矩阵和刚度矩阵的组合,即 式8、1其中和是两个比例系数,分别具有和的量纲。 式8、2即 式8、3 式8、4 式8、5 式8、6式中、为结构的一阶和二阶(或三阶)自振频率一般情况下,该类导管架的振型阻尼比取2所以 式8、7 式8、8 式8、9则 式8、10将计算所得结果填入ANSYS程序,进行动力学分析。以甲板边缘一点为例输出其在周期性波浪作用下各个方向的位移、速度、加速度。下面输出的曲线统一为在加载周期性波浪载荷后20秒到60秒的示意图。波浪的每个周期都分为200步计算。如下图所示:图8、5 甲板边缘某点的X方向位移时程曲线(X=时间,Y=位移)图8、6 甲板边缘某点的Y方向位移时程曲线(X=时间,Y=位移)图8、7 甲板边缘某点的X方向速度时程曲线(X=时间,Y=速度)图8、8 甲板边缘某点的Y方向速度时程曲线(X=时间,Y=速度)图8、9 甲板边缘某点的X方向加速度时程曲线(X=时间,Y=加速度)图8、10 甲板边缘某点的Y方向加速度时程曲线(X=时间,Y=加速度)图8、11 水面附近节点2247的动应力曲线(X=时间,Y=应力)图8、12 泥面附近节点2261的动应力曲线(X=时间,Y=应力) 由以上的曲线图可以看出,该平台在极限波浪的作用下加速度没有超过0.05m/s2,符合规范要求,且平台节点的动应力也没有超过钢材的需用应力,所以,该平台的动力特性符合规范要求。第九章 桩基强度校核9.1 轴向承载力校核 桩在轴向承载力作用下可能发生的破坏情况通常有两种,在桩外侧土壤提供的摩擦阻力或者桩底部土壤的支撑阻力过小;或桩本身的强度不足。在进行导管架结构静力分析和强度与稳定性校核时,已经验证此平台桩基嵌固点以上部分桩达到了强度要求,不会发生破坏。一次只需计算嵌固点以下桩基的承载力能否符合设计要求即可。9.1.1 轴向承载力计算公式受压桩的极限承载力Qd可用下式计算: 式91式中:桩侧摩阻力,kN;总的桩尖阻力(应不大于土塞承载力),kN;第i层土的单位面积侧摩阻力,KPa;第i层土中的桩侧面积,m2;单位面积桩尖阻力,KPa;桩尖毛面积,m2。1.粘性土中桩的单位面积侧摩阻力和单位面积桩尖阻力按下列选取:(1)粘性土中桩的单位面积侧摩阻力可按下式计算: Kpa 式92式中:系数,;不排水抗剪强度,KPa。系数可按下式计算:当时,当时, 式93式中:有效上覆压力,KPa。(2)粘性土中桩的单位面积桩尖阻力取桩尖处土的不排水抗剪强度的9倍。2.砂性土中的单位面积侧摩阻力和单位面积桩尖阻力按下列选取:(1)砂性土中的单位面积侧摩阻力可按下式计算: 式94式中:土层的侧压力系数,一般为0.51.0;有效上覆压力,Kpa;桩土间摩擦角(度),可参考表9、1选用。(2)砂性土中的单位面积桩尖阻力可按下式计算: 式95式中:阻力系数,可参考表9、1选用。表9、1 阻力系数砂土类型内摩擦角桩土摩擦角砂353040粉质砂土302520砂质粉土252012粉土20158注:此表值用于中密密实的砂性土。(3) 计算砂性土中的单位面积侧摩阻力和单位面积桩尖阻力时,应考虑土质及埋深等情况,并应符合下列条件:及用静力公式确定桩的极限承载力时,尚应考虑桩和土塞的重量及浮力的影响。在分层土中,当与桩尖所处土层相邻近的土层是松土层时,则桩尖在所处土层中的贯入深度应为23倍桩径,并且桩尖离该土层底线约3倍桩径,以防桩尖刺入软土层。如果达不到上述距离要求,则对桩尖阻力应作修正。9.1.2 轴向承载力计算结果根据结构设计可知:桩外径1.3m;桩入土深;嵌固点在泥面以下8m处;根据上述公式计算不同土壤各层段的桩基轴向承载力,结果列于表9、2中。表9、2 桩的轴向承载力计算结果土层深度(m)水下比重(KN/m)不排水剪切强度(kpa)摩擦角()(kpa)(kpa)(KN)811.358.52528.4813.3496.0911.3515.2
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