固定式导管架平台的静力分析和动力分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

自21世纪以来，随着科学技术水平的飞速发展，世界人口和经济发生了急剧膨胀，几乎所有国家对各种油气资源的需求量也越来越大。随着陆地资源日益短缺，剩余的可采储量越来越少，开采重心无可厚非的向海洋发展，这也是世界各国主要的战略目标。我国海域海底油气资源丰富^[1]，我国具有473万平方千米 的海域，其中具有勘探价值的面积就有60余万平方千米，据估计，我国的海底石油资源储量约占全国石油资源储量的10%—14%；我国的海底天然气资源量约占全国天然气资源的25%—34%。因此我国的海域极具开发潜力。由于这些资源一般都沉积在海底，要对其进行开采，就必须先进行钻井勘探，探测出石油或天然气后，需要一个便于石油或天然气的开采与储存的综合海上建筑物，因此海洋平台的 出现满足了海上开采作业的一切，包括资源的勘探和开采， 此外，平台还可以当作观测台。

海洋平台是应用于海洋资源勘探与开发的基础性设施，图1给出了海洋平台的大致分类：

导管架平台

固定式平台

重力式平台

坐底式平台

自升式平台

海洋平台 移动式平台

钻井船

半潜式平台

张力腿平台

顺应式平台

牵索塔式平台

论文选择固定式导管架海洋平台作为研究对象，通过对结构有限元、海洋环境荷载、结构动力学等基础理论知识的学习，结合国内外对固定式导管架平台的静动力分析的研究现状，对固定式导管架海洋平台的静力响应、固有振动和动力响应进行研究。

固定式导管架平台（如图2和3所示）是海洋平台的主要结构形式之一，主体由导管架、上部平台和海底桩基组成，是集石油的钻探、开采、加工、运输、人员生活和工作于一体的海洋枢纽，所处的海洋环境非常恶劣，长期承受着多种随时间和空间变化的随机荷载，包括海风、海浪、海流、海冰和潮汐等的作用，同时还可能受到地震作用的影响，如果设计不当会造成直接的重大经济损失和严重的海洋环境污染，所以对固定式导管架平台进行强度和刚度分析非常重要。

固定式导管架平台的整体刚度较大，但随着工作水深的增加，桩腿的延长，平台的相对柔性逐渐降低，自振频率降低，对波浪、海流和海风的激振较为敏感，即使在没有发生共振的条件下，平台结构的动力响应也可能很大。因此，固定式导管架平台的动力分析对其合理设计和安全运营都是十分重要的。分析不同的波高、波速、浪向与流向组合的海洋环境荷载作用下导管架平台的动力响应，计算导管架平台在波流耦合水动力载荷作用下的位移、应力和应变，可以为波浪、海流和海风等海洋环境荷载作用下导管架平台的安全性和可靠性 评估提供依据。

论文将运用ANSYS有限元软件建立固定式导管架平台的有限元模型。在不同载荷组合作用下应用ANSYS软件的静力分析模块对固定式导管架平台进行静力分析。应用ANSYS软件的模态分析模块对固定式导管架平台的自振频率和模态进行求解。应用ANSYS软件的瞬态动力分析模块对动态波流耦合载荷作用下的固定式导管架平台进行瞬态动力分析。研究结果有助于对导管架平台的安全性和可靠性作出评价，并为导管架平台的设计提供参考。

1.2国内外研究现状

到目前为止，国内外学者已对固定式导管架平台的静力和动力分析做了很多研究。Nezamian和Morgan^[2]通过对强震作用下海洋平台非线性时程分析的建模问题的研究，提出了非弹性时程地震分析方法能更真实地反映结构的受力情况。Zhou等^[3]利用伪激励法和经典Ritz法研究了导管架海洋平台简化模型的随机地震响应，计算结果与实验结果吻合得很好。Long等^[4]利用有限元软件ANSYS的瞬态动力分析模块和时程分析方法得到了导管架平台在地震作用下的动力响应。Mao等^[5]采用1/10的缩比模型和有限元法研究了循环载荷作用下地基退化对海洋导管架平台动力响应的影响。El-Din和Kim^[6]采用非线性静力和动力分析方法对不同支撑形式的固定基础导管架平台结构进行了抗震性能评价，并比较了各种加固方案的效果。Lotfollahi-Yaghin^[7]等利用ANSYS研究了调谐液体阻尼器对地震作用下海洋导管架平台动力响应的控制效果。Sathish和Sajith^[8]研究了调谐液柱空气阻尼器在不同气压下对导管架平台响应的控制效果，其中导管架平台分别模拟成多自由度系统和单自由度系统。

国内方面，周广利和白若阳^[9]运用通用有限元程序MSC/NASTRAN分析了导管架平台结构的动力学特性，得到了导管架平台在极端荷载下的强度和安全性评价数据。徐燕^[10]采用ANSYS有限元软件分析了各种工作荷载和海洋环境荷载组合工况下导管架平台结构的应力，并采用当量正态化法对导管架平台进行了可靠性分析，通过系统考虑风和冰荷载对桩腿的影响来度量结构的安全水平。蔡厚平和谢云飞^[11]运用ANSYS软件计算了导管架平台的固有频率及相关振型，得到了平台各个方向的振动模态规律及薄弱部位。刘昊宇^[12]采用等效桩法处理桩基边界条件，并通过数值计算手段分析了平台各杆件（包括泥面以下主桩在内）的应力分布以及位移特征，得出了不同波浪要素情况下导管架平台的应力和位移分布规律。薛洪志和嵇春艳^[13]基于线性莫里森方程和随机波浪理论，研究了墨西哥湾某海域的一个典型八桩腿式导管架海洋平台在极值随机波浪载荷作用下的动力响应，发现腐蚀损伤对位移响应和加速度响应的影响较明显，相同载荷作用下动力响应随腐蚀厚度的增加而增大。祝晓燕等^[14]利用有限元分析软件ANSYS，采用波流耦合作用方式对三桩导管架平台结构进行了静力分析，得到了结构整体变形图。赵玉良等^[15]采用ANSYS有限元软件建立了渤海海域的冰力作用模型，研究了不同冰力作用周期下导管架平台的冰振响应，提出了平台动力响应随海冰的厚度和流速呈线性变化。何懋华^[16]运用ANSYS有限元软件分析了环境荷载作用方向不同时导管架顶端节点的最大位移和最大等效应力，得出45°入射角工况为最危险工况，90°入射角工况时平台抵抗极端荷载的能力最差。彭威^[17]联合利用光滑粒子流体动力学与有限元方法研究了规则波浪荷载作用下调谐液体阻尼器对导管架平台的减振影响规律。

虽然对固定式导管架平台的静力和动力分析的研究已经取得了很大的进展，但依然存在一些不足，有待进一步研究。例如：（1）考虑损伤的导管架平台的静力和动力分析。如管接头焊接处的裂缝，由点腐蚀或面腐蚀引起的缺陷，构件局部变形等都对导管架平台的安全性甚至使用寿命有严重影响。（2）导管架平台的结构形式对其静力和动力响应的影响的研究。不同结构形式的导管架平台在风浪与海流荷载作用下的腐蚀形式以及局部变形有较大差异。（3）多种环境荷载组合作用下导管架平台的静力和动力分析。导管架平台受到的外荷载种类较多，不同荷载组合下的静动力响应计算十分复杂，目前这方面的理论和实验开展较少。

2. 研究的基本内容与方案

2.1平台有限元模型建立及载荷计算

采用通用有限元软件ansys建立固定式导管架平台的有限元模型，主要步骤包括几何建模、单元类型选择、材料参数设定、单元参数赋值、网格划分等。

风载荷主要作用于导管架外露的部分以及甲板上的各种生活设备；波流耦合载荷通过在前处理模块的water motion table中输入相应的波高、周期、水深、流速和作用方向等参数，利用pipe59单元的特殊功能来求得；自重载荷可在定义密度之后通过ansys软件中相应单元自动计算生成。

3. 研究计划与安排

第1-2周：收集查阅有关固定式导管架平台的静力分析和动力分析的文献资料，进行初步阅读。

第3周：仔细阅读相关的文献，完成开题报告。

第4周：选择一篇合适的英文文献，完成5000汉字以上的翻译。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王召. 中深水导管架平台结构可靠性及优化分析[d].北京:中国石油大学(华东), 2016.

[2] nezamian a, morgan pm. modelling issues for nonlinear time historyanalysis of offshore platforms subjected to strong ground motions[c]//proceedingsof the asme 2014 33rd international conference on ocean, offshore and arcticengineering, san francisco, 2014.

[3] zhou b, han x, tan s. a simplified computational method for random seismicresponses of a jacket platform[j]. ocean engineering, 2014, 82: 85-90.