基于ANSYS的導(dǎo)管架平臺(tái)模態(tài)分析

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1、第8卷第2期南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Vol．8No．22009年6月JOURNALOFNANTONGVOCATIONAL＆TECHNICALSHIPPINGCOLLEGEJun．2009基于ANSYS的導(dǎo)管架平臺(tái)模態(tài)分析蔡厚平，謝云飛（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程系，江蘇南通226010）摘要：作為海洋油氣開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，海洋平臺(tái)的安全性越來越受到人們重視。文章以某導(dǎo)管架平臺(tái)為例，采用ANSYS模態(tài)分析，獲得平臺(tái)的模態(tài)振動(dòng)規(guī)律，最終得出平臺(tái)各方向的模態(tài)規(guī)律及薄弱部位。關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺(tái)；ANSYS；模態(tài)分析中圖分類號(hào)：U674.38文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-9891（2009）02-

2、0056-030引言海洋工程結(jié)構(gòu)包括沿岸結(jié)構(gòu)物和近海結(jié)構(gòu)物兩類，實(shí)際研究中常指近海結(jié)構(gòu)物，即與海上石油勘探及生產(chǎn)有關(guān)的海上石油鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)及相關(guān)結(jié)構(gòu)。[1]海洋平臺(tái)是海洋石油天然氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，其技術(shù)關(guān)系到海上油氣資源能否有效利用。海洋平臺(tái)長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，受風(fēng)、浪、流、冰、地震等自然環(huán)境作用，海洋工程結(jié)構(gòu)的研究涉及結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、土力學(xué)和海洋環(huán)境等學(xué)科。隨著海洋平臺(tái)的應(yīng)用深度加大，新型海洋平臺(tái)的出現(xiàn)，按常規(guī)設(shè)計(jì)方法計(jì)算已不能適應(yīng)規(guī)范要求。ANSYS以其強(qiáng)大的分析計(jì)算功能，對海洋平臺(tái)按規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力、材料非線性和幾何非線性分析。[2]本文以ANSYS8.0為基

3、礎(chǔ)，以某導(dǎo)管架平臺(tái)為例，進(jìn)行模態(tài)分析。1平臺(tái)模型及特征參數(shù)1.1平臺(tái)模型導(dǎo)管架平臺(tái)由上層平臺(tái)結(jié)構(gòu)和下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)組成，底端通過樁基礎(chǔ)固定。上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)包括支撐框架和甲板，主要提供生產(chǎn)和生活場地，外形為矩形；下部導(dǎo)管架由一系列鋼管焊接，主體為6根主導(dǎo)管，以細(xì)管件為撐桿，組成空間塔架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)通過主導(dǎo)管插入海底。1.2平臺(tái)簡化及特性參數(shù)建模過程中對結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡化，將平臺(tái)主體模擬成一層空間鋼架，鋼架與導(dǎo)管架的聯(lián)結(jié)為固接。平臺(tái)為全鋼制平臺(tái)，構(gòu)件彈性模量EX=2.1×1011Pa，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7800kg/m3。具體特性參數(shù)見表1所示。2平臺(tái)模型的建立2.1平臺(tái)網(wǎng)格劃分根據(jù)所

4、采取的模型，甲板采用SHELL63單元，導(dǎo)管架和上部甲板框架的主要豎向支撐構(gòu)件采用PIPE16單元，甲板平面的框架梁離散為BEAM4單元。采用命令流建模，平臺(tái)模型如圖1、圖2所示。2.2邊界條件根據(jù)導(dǎo)管架下部樁基礎(chǔ)的實(shí)際工作狀態(tài)和受力情況，考慮其下端在海底不能完全固支，計(jì)算時(shí)在海底土收稿日期：2008－12－06基金項(xiàng)目：2008年南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目“基于ANSYS的海洋工程課程教學(xué)探索”（項(xiàng)目編號(hào)：2008B11）。作者簡介：蔡厚平（1964—），男，江西南昌人，南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程系副教授。第2期蔡厚平，謝云飛：基于ANSYS的導(dǎo)管架平臺(tái)模態(tài)分析57層以下3m采

5、用鉸接，原理如圖3所示。表1單元類型及特性參數(shù)實(shí)常數(shù)編號(hào)單元類型外徑（m）壁厚（m）1PIPE1620.052PIPE1610.033PIPE160.80.034PIPE160.50.02截面積A（m2）IZ（m4）IY（m4）高度h（m）寬度b（m）5BEAM40.050.00030.00050.40.2厚度（Im）厚度J（m）厚度K（m）厚度L（m）6SHELL630.030.030.030.03圖1平臺(tái)幾何線框模型圖2平臺(tái)有限元模型3平臺(tái)的模態(tài)分析ANSYS程序在模態(tài)分析時(shí)將上部重量以質(zhì)量形式考慮，換算成單位長度附加質(zhì)量填入BEAM4單元的實(shí)常數(shù)表中（換算方法：單位長度附加質(zhì)量=上部重

6、量線荷載/9.8）,其余荷載均去除。建模后，選擇模態(tài)分析類型（modal），同時(shí)指定如下相應(yīng)的分析選項(xiàng)：模態(tài)提取方法、提取振型數(shù)目、模態(tài)擴(kuò)展數(shù)目和質(zhì)量矩陣形成方式。最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振分析求解，求解步驟完成后可利用后處理功能得到結(jié)構(gòu)自振頻率、對應(yīng)振型及對應(yīng)自振周期，同時(shí)與波浪振動(dòng)周期比較。平臺(tái)在使用期內(nèi)面臨諸多動(dòng)荷載，將極大降低平臺(tái)的安全可靠性。同時(shí)由于平臺(tái)固有頻率的存在，各種動(dòng)載的激勵(lì)作用造成平臺(tái)的振動(dòng)及其它不利影響，最終導(dǎo)致平臺(tái)失效。因此對平臺(tái)固有頻率的模態(tài)分析是研究其在動(dòng)荷載作用下安全性能的重要途徑。本文采用模態(tài)分析方法，模擬計(jì)算平臺(tái)的固有頻率及相關(guān)振型。圖4為平臺(tái)典型的固有頻率及相關(guān)參數(shù)

7、，圖5為平臺(tái)典型的振型圖。圖3平臺(tái)所受位移約束圖4平臺(tái)不同階次的固有頻率58南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2009年一階模態(tài)二階模態(tài)三階模態(tài)四階模態(tài)五階模態(tài)六階模態(tài)圖5平臺(tái)不同階次的振型圖5平臺(tái)的諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析用于分析結(jié)構(gòu)隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的荷載作用的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨頻率的變化曲線。在平臺(tái)模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算結(jié)構(gòu)在前六階固有頻率范圍內(nèi)承受單位簡諧荷載的位移響應(yīng)曲線。結(jié)構(gòu)UX-Frequency、U