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冰载荷作用下浅海重力式平台的动力分析

2012-03-23杨英杰王银邦邹晓红刘楠王欣

城市建设理论研究 2012年4期
关键词:有限元

杨英杰 王银邦 邹晓红 刘楠 王欣

摘要:本文是基于ANSYS有限元软件,比较了在冰载荷作用下平台特殊位置的振动情况,得出在冰荷载的作用下平台甲板的振动最剧烈。校核了50年冰的重现周期内出现概率较大的冰厚和冰速作用下的应力和位移,结果满足强度设计要求,并且分析了平台在不同冰速和冰厚作用下几个特殊点的位移变化情况,绘制了图形,对冰厚和冰速两个因素对平台的影响做了比较,得出了冰厚对平台影响比较大,以上的分析对平台的优化设计提供一定的参考。

关键词:海洋平台;冰载荷;动力分析;有限元

Abstract: this article is based on ANSYS finite element software, and the comparison of the ice load platform in special places vibration in the ice load that under the action of the vibration of the platform decks the most intense. Check the 50 years of ice back cycle of thick ice appear larger probability and ice speed under the action of stress and displacement, the results can satisfy strength design requirements, and analyzes the platform in different speed and ice thick ice under the function of several special point displacement variation, mapped the graphics, for ice thick and ice speed to two factors compared the effect of platform, and conclude that the thickness of the ice platform more influence, the above analysis, the optimization design of the platform to provide certain reference.

Keywords: sea platform; Ice load; Dynamic analysis; Finite element

中图分类号: TU311.3 文献标识码:A 文章编号:

前言

冰激振动是结冰海域近海工程结构普遍存在的问题,特别是在渤海辽东湾近海海域,冰期大约三个多月,当冰期严重时会严重威胁到海洋石油平台。近几年以来,渤海及黄海北部海域出现了近30年同期最为严重的海冰灾害,海洋石油平台受到了巨大威胁。而且在六七十年代出现过海洋平台在冰封期而被推到,造成了严重的经济损失。研究表明在多数结冰海域,冰对海洋结构的作用,要远远大于波浪和风的作用,因此冰荷载是冬季渤海海域结构的主要的控制载荷[][1-2],故本文只研究冰荷载的作用。

浅海重力式平台是在上个世纪七十年代发展起来的新型海洋平台,它主要由甲板、三根立柱、储油沉箱和桶形基础四部分组成。此平台不仅工程经济性高,而且维修费用低,使用寿命长等优点,近几年有了较大的发展,不但可用于钻井、采油、集输和储油、系泊和装油,还可作为海洋石油开发的多用平台,特别是边际油田的开发[][3-5]。

本文运用了ANSYS有限元软件建立了土体-平台的简化模型,分析了平台的振动特性,进行了位移和强度的安全评估,针对了冰厚和冰速这两种因素对平台的影响情况进行了分析研究,并且比较了他们的影响程度。

1、平台的材料参数及有限元模型

本文研究的重力式平台适用于25米水深的浅海,甲板高出水面9米。平台设计尺寸如下:

甲板:12m×12m,厚15mm,立柱:外直径1.2m,高34m,壁厚24mm。三根立柱成边长为6m的等边三角形,一端与甲板固定,另一端贯穿储油沉箱并固定于沉箱上下表面。沉箱:内直径D1=16m,高h= 3.3m,上下底板和壁厚均为40cm。桶形裙板:外直径16.8m(与储油沉箱相配),高5m,壁厚12mm。

利用ANSYS有限元软件建立土体—平台模型,根据计算分析目的,选用有限元单元如下:shell63:甲板、沉箱;pipe16:立柱;solid95:地基土体和裙板;mass21:集中质量加载在甲板和立柱的耦合点处,以模拟甲板上的装备负载。

建模时方形土体的边长需取大于裙板半径十倍的尺寸,这里取土体边长为100m,高为25m,分别在土体前后左右和下方加固定约束。综上所述,浅海式重力平台的有限元模型如图1所示:

图1 土体—平台的有限元模型

2、平台的自振特性

重力式平台自振特性如下表所示:

表2平台模态分析结果

3、平台的动力响应分析

3.1冰激振动概化模型

在冰与结构的作用过程中,对结构破坏最大的是由冰排引起的结构的稳态振动,故本文只讨论冰排对平台的作用,而结构稳态响应下的冰力随时间呈现出规则的锯齿变化规律[[6-8] ][6-8],如下图所示

图2结构稳态响应下时程概化图

上图为冰激振动的概化模型,其中峰值为冰排撞击平台出现的最大值,为最小值,为冰加载的时间,剩余时间为冰卸载的时间,T为冰力作用周期。其中,, 可根据API静冰力计算公式求解。

3.2动力响应分析计算

冰力峰值[[9] ][9],局部挤压系数根据公式来计算,接触系数K=0.32,形状系数m=0.9,柱的直径D=1.2m,H为冰厚(m),为冰的抗压强度取值为Pa。

由冰排引起的结构的稳态振动,在进行冰激振动计算时可以认为冰力的作用频率与结构的固有频率相等,用以观察动冰力作用下重力式平台响应的最危险情况。如表1所示,本文中结构自振频率取Hz,则冰激振动周期为T=3s。相互作用系数,其中为冰排速度,为平台结构的固有频率,为结构刚度系数取,其它的代表的含义均与上面相同。根据前人经过大量的实验得出的经验公式:[[10] ][10],由此可求得加载的时间。

根据方华灿等人的研究,本文取重现期为五十年的冰厚H=0.2m,V=0.35m/s来研究冰对重力式平台的影响,此时的冰速和冰厚出现的概率较大,以此来校核平台以及分析其响应情况。经过求解得=187.2KN,=0.43=80.5KN,相互作用系数,加载时间,则一个周期内的卸载时间为1.05s。

3.3结果分析

加载位置取立柱受力节点8393,8435和8414,取海洋平台几个特殊点8421,8435,8423,8420四个节点作为研究对象,它们分别为立柱与甲板的交点,冰荷载与立柱的撞击点,立柱与沉箱的上表面和下表面的交点。比较它们的振动情况如下

图3X方向的位移时间历程曲线 图4Y方向的位移时间历程曲线

圖5Z方向的位移时间历程曲线

在Y方向的最大位移为0.2369m,X方向和Z方向的最大位移分别为0.005966m和0.04985m, 平台在Y方向的位移即力加载方向的最大位移要远远大于X方向和Z方向的,故平台在受力方向上振动最剧烈。此时位移大小比较为甲板节点>立柱受力节点>立柱与沉箱顶部交点>立柱与沉箱底部交点。最大位移为0.2369m,而根据工业与民用建筑高层结构的侧向位移值[[11] ][11],其中H为平台的总高度,满足承载能力的极限状态。计算过程中求得的最大应力为 Pa,出现在立柱与沉箱上表面的交汇处附近。根据钢结构设计规范[[12] ][12], 虽然也满足强度设计要求,但强度比较大,而且本文只是研究了仅在冰荷载作用的影响下,还未考虑风、浪、流和地震等作用,故应该在甲板立柱的耦合处周围以及立柱与沉箱上表面的交叉处周围采取一定的措施进行加固,以增加其安全性。

以下给出冰厚H=0.2m,V=0.35m/s情况下平台上述几个节点在Y方向的速度和加速度的响应。

图6Y方向四个节点的速度时程响应曲线 图7 Y方向四个节点的加速度时程响应曲线

3.4研究冰厚和冰速两个因素对平台的影响

3.4.1冰速的影响分析

冰厚一定时,取H=0.2m,冰速V分别等于0.25m/s,0.30m/s,0.35m/s,0.40m/s。由于甲板和冰与立柱的撞击点的响应较大,故取8421和8435两个节点进行分析研究,此两点分别为甲板与立柱的交点和冰与立柱的撞击点,计算方法同前文相同,结果如下所示:

表3节点8435和8421随冰速变化的响应结果

两个节点的位移,速度和加速度变化趋势是一样的,下面只给出8435节点位移随冰速变化的曲线,如下:

图8 节点8435位移—冰速变化曲线

由此图显而易见,在冰厚一定的情况下平台的位移响应随着冰速的增加而逐渐减小。

3.4.2冰厚的影响分析

冰速一定时,取V=0.35m/s,冰厚H分别为0.15m,0.20m,0.25m,0.30m,还是取以上两点为研究对象,计算结果如下

表4 节点8435和8421随冰厚变化的响应结果

下面只给出8435节点在冰速v=0.35m/s时节点位移随冰厚变化的曲线

图9 节点8435位移—冰厚变化的曲线

从此图可知,在冰速一定时,平台的振动位移是随着冰厚的增加而不断增大的。当冰速从0.25m/s变到0.40m/s时冰速增加了60%,而位移仅仅变化了3.39%,相比之下,当冰厚从0.15m增加到0.30m时冰厚增加了50%,而此时位移增加了118.40%由以上分析可得冰厚对平台的影响作用要比冰速的影响大。由此我们可知低速而且大的冰块对平台的振动影响更大,我们也由此推测,低速而且大的冰块对平台的损伤程度更大。

4、结论

(1)、通过用ANSYS 有限元软件对浅海重力式平台的动力分析,了解了平台在冰荷载作用下位移、速度、加速度随时间的变化情况,从图中可看出在13s之后平台的响应趋于平稳变化,也比较了平台各部位的振动变化,响应的结果为甲板节点>立柱受力节点>立柱与沉箱顶部交点>立柱与沉箱底部交点。

(2)、虽然偏移的最大位移0.2369m未达到承载极能力极限的位移,最大应力也未超过钢结构设计规范的设计强度,但是本文是在仅仅考虑冰荷载对平台的影响,而未考虑风、浪、流和地震等载荷的影响,故应对平台在振动响应比较大以及应力集中的部位进行加固,增加其安全性,保证工作人员能够舒适的作业,为对平台的维护以及优化设计起了一定的参考价值。

(3)、本文还研究了冰厚和冰速对平台的影响情况,分析得到平台的位移响应在冰厚一定时随着冰速的增加而减小,在冰速一定时随着冰厚的增加而增大,故可知低速而且大的冰块将会对平台产生更大的振动影响,而且也可知对平台将产生更大的损伤。此外,还得到冰厚对平台的影响在同等情况下要大于冰速对平台的影响。

参考文献:

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【基金项目】国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA09Z317)

【作者简介】

杨英杰,男,1986——至今,黑龙江人,硕士研究生,主要从事防灾减灾方向研究。

王银邦,男,甘肃人,1956——至今,教授,硕士、博士生导师,主要从事防灾减灾及断裂力学方向研究。

注:文章内所有公式及圖表请以PDF形式查看。

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