基于ANSYS的导管架平台强度分析

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1 概述

导管架平台主要由两大部分组成。一部分是支承结构，由导管架和钢管桩组成，用来支承上部设施与设备的基础结构；一部分是上部设施与设备，由甲板与其上的设备组成，作为收集和处理油气、生活及其他用途的场所

[1]

。导管架是由腿柱和连接腿柱的纵横杆系所构成的空间构架。

在实际的平台设计中，要根据不同的海域，选取不同

的波浪理论来计算结构的波浪力。目前对于二维波浪理论的各种求解算法已经有了许多的研究应用，但在国内的大型平台结构分析系统方面仍有很多工作有待解决[2]。在现代的平台设计中，用人工去简化作用在结构上的波浪荷载已不切实际，所以解决大型导管架平台结构分析中的波浪荷载自动处理问题有实际意义。

2 PIPE59单元特点和模拟方法

ANSYS软件中的PIPE59单元是与空间梁单元类似的单元，能够计算圆管形构件的流体静力和动力效应[3，4]。利用这些特点，考虑用该单元模拟海流载荷，通过输入单元控制参数，就可以自动模拟海流特性。

波浪通过导管架平台时，随着地震相位周期性的变化，对平台结构的作用力也在作周期性的变化。为此按照一定的步长对相位角（0～360 o

）进行等分，编程计算求得环境载荷从8个方向施加时每个方向产生最大作用的相位角，计算结果见表1。

表1 相位角计算结果

载荷方向0 o 45 o 90 o 135 o 相位角350 o 336 o 342 o 4 o 载荷方向180 o 225 o 270 o 315 o 相位角

28 o

41 o

36 o

14 o

3 导管架平台强度分析3.1 结构计算模型

采用ANSYS软件构建其有限元模型，取甲板主梁组成

的梁格和导管架各构件作为梁单元组成的空间结构（见图1）。采用PIPE16和PIPE59单元模拟导管架，采用BEAM 单元模拟平台梁格，模型共计598个单元，527个节点。建模中应考虑在泥面处设断点，泥面上下模型赋值不同单

元。

图1 ANSYS有限元分析模型

根据规范，可将桩的下部模拟为刚性固定端，刚性固定端位于设计泥面垂直以下T （m）处[6]。设计泥面的位置在自然泥面下的距离应按地质条件决定。T 值可按经验公式确定：

T =6D

（1）

式中：D —桩外径，m。

3.2 组合工况分析

3.2.1 冰载荷

在风和流作用下，大面积冰原挤压垂直孤立桩柱产生的冰载荷的计算方法，导管架所受的最大冰力为：

F I =m ×K 1×K 2×σc ×D ×h

（2）

式中：K 1、K 2—桩的局部挤压系数和桩与冰层接触系数；m —桩的形状系数，园柱体取0.9；σc —冰的单轴极限抗压强度（KPa），2244KPa；D —导管架直径（m）；h —冰层厚度（m）。

3.2.2 风载荷

最大风速为45m/s，方向0 o 、45 o 、90 o 、135 o 、180 o 、225 o 、270 o 、315 o 。风荷载计算公式为：

基于ANSYS的导管架平台强度分析

任红伟

中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 山东 东营 257000

摘要：导管架平台的波浪力分析是设计中的难点，利用ANSYS软件中PIPE59单元的浮力、波浪及海流荷载计算功能，通过控制单元参数可达到自动模拟海流载荷目的。在Water Table菜单中分别输入8个方向波流参数，其中疲劳分析考虑的是平台在一个周期里受到的最大和最小波浪载荷，编程计算求出每个方向产生最大作用的相位角。通过建模分析，得到8种工况下结构位移和导管架各点应力。

关键词：导管架平台 强度分析 海流载荷 PIPE59单元

 Strength analysis of jacket platform based on ANSYS

Ren Hongwei

Drilling Technology Research Institute ，Shengli Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Dongying 257000，China

Abstract：The wave force analysis is difficult in design for jacket platform. PIPE59 element in ANSYS software has the function of computing buoyancy，wave and current load. The current load can be simulated automatically by adjusting the unit parameters. The wave flow parameters of eight directions were input in the Water Table menu respectively. Fatigue analysis needs the maximum and minimum of wave load in a cycle of platform，programming to calculate the phase angle of maximum effect in each direction. By modeling analysis，the structural displacement and stress at various points of jacket is obtained in eight kinds of conditions.

Keywords：jacket platform；strength analysis；current load；PIPE59 element