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利用ABAQUS程序分析勘探二号海洋平台 |
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作者：任艳荣 刘玉标 王书河 段梦兰 |
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摘要：利用美国HKS公司的ABAQUS有限元计算程序，对勘探二号海洋平台进行受力分析。在计算中，采用三维弹塑性铰单元来模拟桩靴与地层之间的相互作用，并与传统设计方法进行比较，取得了比较好的结果。
1、引言
勘探二号[1]的船体由平台底、机械甲板、主甲板、平台底台板、纵舱壁、横舱壁、强横梁、纵骨和竖向支撑构件组成。CCS曾用5358个板单元、4221个梁单元来对南海一号船体进行过非常详尽的模拟，这种做法势必影响桩腿计算结果的精度。众所周知，从纯结构强度来讲，对自升式钻井装置，平台的整体安全完全由桩腿决定，船体的强度对平台整体安全没有决定性的影响。此外，根据对勘二姊妹平台渤四和南一及其它同类自升式钻井平台渤八及渤十等的计算结果，船体应力及疲劳远小于桩腿。同时，勘探二号的船体长期以来得到很好的维护，船体结构不会出现强度安全问题。因此本次计算将船体进行了适当简化，简化原则同时参照了ABAQUS 对同类平台的计算实例。
2、平台模型简化及结构特性参数
2.1、平台模型简化
本次计算将船体进行了适当简化，将平台船体实际结构模拟为一层空间钢架，钢架与桩腿的联结是固结，钢架单元采用三维线性梁单元共有52个梁单元，其中梁单元没有质量，平台的质量是用集中质量单元来实现的，共有33个质量单元，结构如图1所示。在进行简化时，船体的重量及其上部荷载按实际分布加到空间钢架上并传递到桩腿上。加集中载荷时，船体的重量根据所计算的重心将载荷分配到空间钢架的33 个结点上，点质量也是如此。
2.2、结构特性参数
该勘探2号平台是一座全钢制平台，各构件的截面特性和材料特性：材料密度、弹性模量和泊松比。
3、结构的自振特性
3.1、弹性铰单元
现有的一些海洋工程专用计算软件如SACS、StruCAD*3D等在处理桩靴的有限元模拟时均根据经验选取桩腿固支，其嵌固点取泥线以下桩径6倍的距离。这种经验性的做法极大地简化了结构模型，给计算带来了很大的方便，但也可能影响结构动力计算和疲劳损伤估计结果的精度，为考察这种处理方式对结果的影响，本次计算将进行比较。 ABAQUS[2]计算自升式钻井平台有专门的处理技术，用弹塑性铰单元JOINT2D和JOINT3D来模拟桩靴与地层之间的相互作用。
3.2、结构的自振特性
根据所建立的模型，可以求得结构在渤中、南海、东海海域三种升船状态的结构自振特性。传统设计方法存在着一定的缺点，因此用弹性较单元来模拟桩靴与地层之间的相互作用，获得良好的结果。
4、有限元网格划分
根据所采取的模型，平台的桩腿、甲板简化后的钢架、水平撑和斜撑均离散化为三维梁单元，其中梁单元共有1291个，桩腿单元为1239个，钢架的梁单元为52个，质量单元为33个。有限元模型见图1。
图1 有限元模型图
5、设计载荷和边界条件
5.1、设计载荷
由于平台的工作地点设在浅海地区，因此波、流、风荷载是主要载荷。根据中华人民共和国船级社《海上固定平台入级与建造规范》所规定的参数的选取原则来进行计算。此外，在平台的甲板上还作用有设备载荷，其作用方向如图4所示。同时在计算中也考虑了构件的重力的影响，只要输入与重力有关的参数，就可以由ABAQUS程序自动计算其大小。
5.2、 边界条件
有限元模型的边界条件取为：底部边界为固支
6、计算结果分析
6.1、位移变形分析
经过ABAQUS程序的计算，可以得到如图3所示的结果 
图2平台整体模型x方向的位移图图3平台整体模型y方向的位移图
图4平台整体模型z方向的位移图
6.2、 应力强度分析 
图85平台的正应力图图6平台的剪应力图
通力均在可允许的范围之内。过用弹性铰单元来模拟桩靴和地层之间的相互作用，得出的位移以及应
7、结论
从上面的分析计算中，可以得到以下的结论：
1．运用软件中的海工模块AQUA来计算作用在平台上的波浪、海流载荷，这也是该软件的优势所在，从计算的结果来看，比较良好。
2．用弹性铰单元来模拟桩靴与地层之间的相互作用，通过计算的结果可以看出，该方法是可行的。
3．目前所进行的计算还是只限于静态分析，考虑的因素也不完全，因此在下一步的计算中将考虑动态的波流载荷的作用，希望能有所改进。
参考文献
[1] 南海一号钻井平台结构计算模型说明和模型图
[2] ABAQUS/Standard user’s manual
作者：
任艳荣 刘玉标 中科院力学研究所
王书河 北京航空航天大大学
段梦兰 中国船级社(end)
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(3/14/2005) |
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