基于ansys的典型浮式平台结构总体强度评估方法研究

表 1 平台计算模型对比
板壳模型
实体模型
主要采用实体单元或与杆梁、 主要采用板壳单元或与杆梁
板壳单元结合建立模型，以获 单元结合建立模型，以便获
得结构细节或局部的力学行 得结构构件的力学行为，一
为。该级的模型中，一般不采 般而言，模型多为空间模型，
用全部实体单元，而是采用多 分析结果可用于技术设计。
地介绍[3]-[7]，极大地方便了 ANSYS 爱好者的学习也使得 ANSYS 软件在有限元 爱好者中普及开来。
2. 典型浮式平台有限元模型
通常，在建立浮式平台的计算模型的时候，需要做出一定的简化和假设，按
照不同的计算要求结构模型又可以分为梁式模型、板和梁的组合模型，壳模型等
各类模型有不同的适用范围，如表 1 所示。实际建模时，结构具体需要采用何
置。 采用弹簧模拟，选取 3 个节点，六个自由度，自由点约束 UX、 UY、UZ，柱子顶部增加位移约束 UX、UY 和 UZ；张力腿平
台可约束住张力腿
荷载条件：
静水压力，重力；系泊力等（张力腿张力），立管张力，上部 风荷载，边界力（整体模型获得）；
3. 典型浮式平台结构的环境荷载
海洋中环境荷载多种多样，如波浪荷载、风荷载、海冰荷载等，其中波浪荷
图 2 典型浮式平台波浪荷载示意图
4. 规则波浪作用下半潜式平台结构响应
4.1 整体等效应力分析
在海洋环境中作业，该类结构经常遭受复杂环境荷载特别是波浪荷载的作用， 结构物的水动力荷载（即波浪荷载）和结构强度计算是一个复杂的动力学问题。 在各类浮式结构物设计时，一般会对结构运动的自然频率进行控制，以便能够使 自振频率与所遇到的波浪频率有较大的差别，避免结构物与波浪运动发生共振的 可能。因此，在巨型结构设计与分析时，一般假设结构不会与波浪作用产生共振， 结构分析的动力问题便简化为准静力问题，这是浮式巨型结构物的设计理念之一， 为业界所广泛接受，使得结构分析计算大大简化。本文计算了五百年一遇规则波 作用下的七种特征工况，分别为：（a）静水工况；（b）横向力工况；（c）横 向扭矩工况；（d）纵向剪切工况；（e）垂向弯矩工况；（f）纵向加速度工况； （g）最大横向加速度工况。
应力超标区
应力较大区
最大应力值 （Mpa）
许用 应力
a
上甲板和立柱连接处
浮箱中纵舱壁
331
320
横向舱壁中部，靠近立柱和浮
b
上甲板靠近中心部位
360
320
箱链接出的浮箱中纵舱壁，
靠近立柱和浮箱连接处的 立柱靠近中纵剖面外板上部
c
358
495
浮箱纵舱壁，
中间位置
靠近立柱和浮箱链接出的 浮箱中纵舱壁和立柱部分区
关键词：典型浮式平台;分析方法;半潜式平台;张力腿平台;Spar 平台;有限元模型;波浪荷 载
1. 引言
深水浮式平台结构常常作为有着较高的技术含量，随着社会经济的发展，该 类结构物的得到了不断的应用，特别是在深水油气开发中起着非常重要的作用， 尽管浮式结构物出现的时间只有短短几十年，但由于受力条件较为复杂，且该类 结构物往往极为重要，历来是国内外学者研究的热点问题。但是深水浮式平台结 构形式往往较为复杂，传统分析方法并不能有效解决该类问题，有限元技术的不 断发展给海洋工程结构的计算带来了极大地便利，使得复杂结构物的精确计算成 为可能。Zienkiewicz[1]为海洋平台有限元模型的计算原理进行了开创性的研究， 后又经过巴斯诺夫[2]等人进一步的研究，使得有限元技术能够在海洋平台结构中 得到较好的应用。基于上述等人的理论研究，大型的通用有限元软件的开发工作 陆续开展开来，ANSYS 软件是纵多软件中的佼佼者，ANSYS 软件应用具有良好 的用户截面，建模方便，可操作性强。很多学者对 ANSYS 软件的应用做了详细
d
407
320
浮箱中纵舱壁，浮箱纵舱壁
域
e
浮箱中纵舱壁
浮箱和立柱连接部
460
320
f
立柱和甲板的连接部位
立柱和甲板的连接部位
327
320
图 4 各工况下半潜式平台局部特征部位
4.3 讨论
在波浪荷载作用下，目标半潜式平台的部分部位应力已经超过了许用应力水 平值，但总体上超出应力的部位并不为多，而且超出的幅值并不很大。通过本节
本文采用 WAMIT 软件计算了对多个频率作用的规则入射波，计算完成后生 成水动力荷载文件[8]，这些荷载文件经过一定的转化后可以导入到 ANSYS 中， 在 ANSYS 中加载完成后的荷载文件所得的有限元模型如错误！未找到引用源。 所示,图中 a、b、c 分别对应 Spar 平台、张力腿平台和半潜式平台。
4.2 重要部位的应力分析
把荷载工况横向力、横向扭矩、纵向剪切、垂向弯矩、纵向加速度额和横向
加速度，依次记为 a、b、c、d、e、f，a 对应的等效应力图为 a（1）、a(2)，其
他工况依次类推，错误！未找到引用源。为各工况应力超标或较大区域的统计，
图 4 为各工况的等效应力图。
荷载 工况
表 6 各工况应力超标区域和较大区域统计
设备等；COMB14：边界条件作用
单元尺寸： 材料属性： 边界条件：
数量级：平台外形尺寸级别在连接处选用密网格，环向补强、 桁梁：腹板高度的 1/4；加强筋：腹板高度的 1/2；
强框架：腹板高度的 1/4；浮筒的轴向：每个强框架之间划分 4 份；
柱子竖向：环向补强间划分 4 份 强度分析：线弹性各向同性，密度根据整体质量控制设置。 极限分析：理想弹塑性各向同性，密度可根据整体质量控制设
员采用 SESAM 程序计算的结果，同本文的 ANSYS 计算结果进行比较，错误！
未找到引用源。为 SESAM 和 ANSYS 有限元模型的初步比较，错误！未找到引
用源。为采用 SESAM 软件计算的设计波参数。采用与 SESAM 相同的计算的波
浪参数，重新对 ANSYS 模型进行计算分析。
等，表 5 对几种常用水动力软件进行了简要的比较。
表 5 常用水动力软件的比较
计算软件
软件特点
AQWA
紧密结合 ANSYS 软件，计算后的荷载文件能够方便地导入 ANSYS
中进行结构分析
WAMIT
较早开发的水动力荷载软件，计算精确，业内认可度高
SESAM
内核基于 WAMIT，基本实现结构和水动力计算一体化
表，表 3 为本文在建立半潜式平台有限元模型是的主要构件列表。
平台类型
Spar TLP Semi
重心
位置-65（.9m3 ） 14 24.9
表 2 典型深海浮式平台设计参数
船体
重76量64(T3 ) 48126 48200
平台转动半径（m）
i xx
i yy
i zz
73.7 74.1 14.7
47.5 47.9 45.7
加强梁
材、横舱壁及其相应 平甲板及桁材、横舱 扶强材，舱顶甲板和
的加强筋、纵舱壁及 壁及桁材和扶强材、 扶强材、底甲板和扶
加强筋
纵舱壁及桁材和扶强 强材、横舱壁桁材和
材
扶强材、纵舱壁桁材
和扶强材
本文运用 ANSYS 软件建立浮式平台的整体模型，梁、壳组合模型建模工作 量复杂度适中，模型总体规模不会过于庞大，对整体计算来说计算精确已经足够， 适合浮式平台结构整体计算要求。依托 863 课题以及国家重大专项课题的部分资 料，建立了三个典型浮式平台有限元模型如图 1 所示。表 4 对三类浮式平台有 限元整体模型建模关键信息，作为同类模型建立过程的参考。
种单元的组合进行模拟。
目前深水平台的主要类型有张力腿平台、半潜式平台、Spar 平台和 Fpso（浮 式生产系统）等，本文的研究重点是张力腿平台、半潜式平台和 Spar 平台等三 种，而且对半潜式平台的研究则显得更加重要。这几类平台的外形都有各自的特 点，结构复杂程度也不完全相同，因此，在建立有限元计算模型时方法也不尽相 同。比如半潜式平台结构，主要由浮箱（Pontoon）、立柱（Column）、撑杆（Brace）、 平台（Deck）组成，而每一组成部分的可以更加详细地分为主板（Plate）、主 龙骨（Primary Girder）、舱壁（Bulkhead），主梁（Girder）、加劲肋（Stiffener） 等多种构件。由于构件类型颇多，在建立模型之前必须要对构件类型的重要程度
30.2 30.2 35.4
平台转动惯量(×1011 kg.m2)
I xx
I yy
I zz
4.2
4.2
1.7
1.1
1.1
1.0
4.4
4.4
6.0
浮箱
表 3 半潜式有限元模型主要部件
立柱
甲板
横撑
Fra Baidu bibliotek
浮箱外壳及其加强 立柱外板及其加强 主甲板桁材和扶强 外壳、强框架及桁材、
筋、横向强框架及桁 筋、水平强框架、水 材、中间甲板桁材和
的分析，从结构设计者的角度来说，认为不需要对平台整体结构做加强处理。这 是因为，在上述分析中，采用了弹性的分析方法，而在实际中并不会有这么多的 高应力部位存在，部分高应力部位可能会塑性化，应力不会超过许用应力值，塑 性区域存在带了动周边区域的应力提高，分散了应力集中的存在，减少了某一局 部部位进一步造成安全性的问题可能性。
基于 ANSYS 的典型浮式平台结构总体强度分析
叶谦，金伟良，曹宇，钱淼华,白勇 (浙江大学建筑工程学院 结构工程研究所 杭州 310058)
摘要：探讨了浮式平台结构的分析的重要性，采用 ANSYS 构建了三类典型浮式结构的 有限元计算模型，以海洋中常规的波浪荷载作为外荷载进行计算，编制相关程序把波浪荷载 施加到有限元计算模型，通过对一重要的半潜式平台结构的分析，并把分析结果与海工专业 软件进行对比，表明 ANSYS 非常适用于大型复杂结构的分析，具有很高的分析效率和分析 准确性。
图 3 半潜式平台各工况等效应力图
图 3 中（a）为半潜式平台在静水压力的作用下，静力和平台的重力实现自 平衡；（b）产生最大横向撕裂（压）力；（c）为横向扭矩工况，当波长等于平 台浮箱对角线距离相同时，平台扭矩将达到最大值，（d）当平台承受斜浪作用，
波长约为平台浮箱对角线距离 1.5 倍相同时，剪切力达到最大值；（e）波浪波 长略大于浮箱长度，波浪的过零周期点位于平台船舯部或波浪的波峰点位于平台 船舯部位，波浪将使平台产生最大的垂向弯矩；（f）由迎浪产生的平台甲板上 部结构最大惯性力及平台其他功能荷载作用下的平台结构响应进行研究；（g） 在横向波浪作用下对最大横向加速度和平台功能荷载作用下的响应进行研究。
5. 有限元分析结果合理性讨论
在采用有限元方法模拟结构响应时，需要保证计算结果的准确性。由于没有
相应试验结果的可以对比，本文计算结果同相关规范描述的理论结果及其他同类 计算软件的计算结果进行了比较。SESAM 是一种常规的海洋工程计算软件[5-9]，
在海洋工程界具有较高的认可度，本文采取了一组的目标半潜式平台经过专业人
建模要点 总体要求 坐标系统：
单元类型：
图 1 典型浮式平台有限元模型 表 4 典型浮式平台有限元模型信息
详细信息 对于对称结构，可选取建立部分，再获得整体，建议总单元数
控制在 300000 以下
X, Y 为水平向，Z 为竖直向
SHELL181：所有的板立柱连接处的环向补强、桁梁、加强筋； BEAM188：远离连接处的环向补强、桁梁、加强筋，上部平 台；PIPE16：上部平台和其它管构件；MASS21：模拟压载、
种计算模型类型，需要考虑实际结构的力学行为，例如，整体模型中当加劲肋的
高度较高时，用板单元建模计算分析效果更为精确。基于上述分析的考虑，本文
对整体模型采用了梁、壳组合模型。
梁式模型
主要由杆单元和梁单元建立 模型，以获得结构总体的力 学行为模型的计算结果可用 于方案设计，空间模型的计 算结果可用于技术设计。
进行规划，那些构件是主要的，是必须建立的，那些构件有较为主要，也应该建
立的，还有一些构件不是主要的，可以不建立的，都需要有一个较为清晰的规划。
此外，模型还必须进行有限元模型的常规校核和海洋浮式平台结构的特殊校核，
在进行海洋平台水动力荷载计算时，需要确定平台吃水深度、重量重心、回转半
径等深水海洋平台重要参数，表 2 为本文所建的为三种平台的主要设计参数列
载占有主导作用。波浪荷载也就是通常所说的水动力荷载，该种荷载计算颇为复
杂，根据海洋结构物的形状的不同，计算波浪荷载的方法会不相同。油气资源需
求量的不断增加使得海洋油气资源开发速度不断加快，推动了海洋工程的快速发
展，同时对了商用水动力软件产生了巨大需求，软件开发工作变得刻不容缓，从
而有各类水动力软件不断涌现，其中比较著名的有 AQWA 、WAMIT 、SESAM