半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析.docx
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半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析
江苏科技大学
本科生毕业设计（论文）
学院船舶与海洋工程
专业船舶与海洋工程
学生姓名王杰
班级学号1040101128
指导老师施兴华
二零一四年六月
江苏科技大学本科生毕业论文
半潜式钻井平台甲板结构极限强度分析
Ultimatestrengthanalysisofsemi-submersibledrillingplatformdeckstructure
摘要
人们对陆地和近海资源过度开发，导致陆地和近海资源快要枯竭，所以海洋石油的开发必须要从近海向深水地区发展。
随着海洋石油资源开采事业日益发展，半潜式钻井平台在海洋油气开采工作中板眼了越来越重要的角色。
其安全问题也引起了重视，为了确保平台的结构安全，十分有必要对钻井平台进行极限强度分析。
本文的主要研究内容是：
对国内外对平台极限强度分析的现状进行了了解，学习了有限元分析的理论知识，阐述了非线性问题的来源以及解决非线性问题的方法，以平台甲板结构为例进行了研究。
本文对ANSYS软件的发展过程以及功能进行了简要的介绍。
本文学习、总结了以前在极限强度方面的理论成果，以半潜式平台甲板结构为研究对象，应用大型有限元软件ANSYS对结构进行建模，对其施加载荷，进行有限元分析，计算出极限强度。
关键词：
半潜式平台；甲板；极限强度；ANSYS
Abstract
Peopleoverexploitedlandandoffshoreresources,whichleadingtothedepletionofonshoreandoffshoreresourcessoon,sowehavetosearchforresourcesfromoffshoretodeepwateroffshoreareas.Withtheexploitationofoffshorepetroleumresourcescareergrowing,semi-submersibledrillingplatformplaysanincreasinglyimportantroleintheoffshoreoilandgasexplorationwork.Itssecurityissuealsoattractedourattention.Forthepurposeofensuringthestructuralsafetyoftheplatform,analyzingtheultimatestrengthofthedrillingplatformisbecomingmoreandmorenecessary.
Inthisarticle,wecanknowsomethingaboutthecurrentsituationoftheultimatestrengthanalysisathomeandabroadandlearnthetheoreticalknowledgeoffiniteelementanalysis.Thearticlealsodescribesthenonlinearproblemofsourcesandmethodstosolvenonlinearproblems.Wetaketheplatformdeckasanexampleforthestudy.ThisparticlealsointroducesthedevelopmentprocessandfunctionoftheANSYSsoftware.Thisarticlestudiedandsummarizedtheprevioustheoreticalresultsinaspectsoftheultimatestrength.Wetooktheplatformdeckstructureasanexampleforstudy.WemadeastructuralmodelwithfiniteelementsoftwareANSYSandanalyzeitsultimatestrengthoffiniteelement.
Keywords:
Semi-submersibledrillingplatform;Deck;Ultimatestrength;ANSYS
目录
第一章绪论2
1.1研究背景1
1.2研究的意义2
1.3半潜式平台研究现状2
1.4平台极限强度国内外研究现状4
1.5本文的主要工作6
第二章结构极限强度分析7
2.1半潜式平台极限强度计算方法7
2.1.1基本假定8
2.1.2简化逐步破坏分析法计算极限强度过程8
2.1.3半潜式平台极限强度的预判9
2.2有限元分析法10
2.2.1有限元分析法的起源和概述10
2.2.2基础性原理11
2.2.3非线性有限元分析需考虑的问题11
2.3本章小结12
第三章ANSYS软件简介12
3.1ANSYS软件的发展过程13
3.2ANSYS软件的使用环境13
3.2ANSYS软件的功能13
3.3ANSYS软件的技术特点14
3.4ANSYS软件的非线性有限元分析14
第四章平台甲板结构的极限强度分析15
4.1建立模型16
4.1.1模型参数17
4.1.2建立平台甲板模型19
4.2加载计算23
4.3结果分析24
总结与展望34
致谢35
参考文献36
第一章绪论
1.1研究背景
海洋面积占了地球表面积的很大比例，高达70.9%，海洋的平均深度约为3730米，水深在200—6000米的范围内的海洋高达90%，至今为止，还有大量的海域尚未开发，特别是海洋油气等重要资源。
一旦这些资源被合理开发，如今巨大的能源压力就会迎刃而解。
若要开采利用海洋油气资源,人们需要在海上建造安装一些海洋工程结构物，这是众所周知的。
这类海洋工程结构物主要功能是对海洋进行开发和利用,比如石油的勘探和开采。
现今，固定式和移动式海洋平台是最主要的两种类型的海洋结构物。
半潜式平台最早出现在1962年，现在已经进入了一个全新的发展阶段。
在深水海洋油气的开发过程中，由于成本和自重两方面的原因，重力式和导管架平台都不能投入使用。
因此半潜式平台凭借其较大的工作水深、良好的移动性能、较高的可变载荷、受波浪影响较小等多方面的优点，逐渐成为海洋油气开发的重要工具。
半潜式钻井平台在作业时，它是始终漂浮在水面上的，受力情况十分复杂。
因为半潜式平台仅仅依赖锚泊设备或者动力定位装置保持在某一特定地点，在各种环境载荷，如风、浪、流的作用下，平台一直处于运动状态，较为不稳定。
另外，海洋平台不像普通船舶一样可以避开风浪的侵袭，在极其恶劣的海况下，也只能暴露其中，不可以躲避。
为了避免事故的发生，就必须确保海洋平台的完整性，就是要保证海洋平台不被破坏或者不失效。
而保证的平台完整性最好的方法，就是评估平台的极限强度，即确保平台在可能的极限外载荷下充裕的强度储备。
我们可以通过对海洋平台的极限强度分析，从而获知海洋平台整体的极限承载能力和各构件的最大承载能力，以便对承载能力较弱的部分进行适当的加强，保证平台的安全；也可以对承载能力较强的构件适度削弱一些，从而使平台能够得到较为合理的配置，做到资源最大化利用。
1.2研究的意义
半潜式平台的立柱保证了其稳性，所以半潜式平台又被称为柱稳式平台。
半潜式平台的固有周期很大，因为它的水线面面积很小，与波谱主要成分波发生谐振的可能性十分低，因此减小运动响应的目的可以实现；浮体处于水线面以下的位置，波浪力的作用因此被大大削弱。
当波长和平台长度是比值是特定的值时，立柱与浮体受到的波浪作用力大小差不多，可以相互抵消，这样的话，平台上受到的作用力相对较小，在理论上可以等于零。
半潜式平台在深海资源开发中具有其他平台无法媲美的优势，都要归功于其强大的抗风浪能力、优异的运动性能、巨大的装载容量、超高的作业效率等一系列优点。
目前第六代半潜式平台已经在研发中，它有更强的实用性。
此外，第六代半潜式平台采用了DP3动力定位系统，不仅能够在深海水域进行油气开采，还能抵御恶劣的海况。
但是，半潜式平台并不是绝对完美的。
半潜式不能像船舶一样停靠在岸边，它始终浮于水面上，因此其受力十分复杂的。
半潜式平台一般会受到风力、波浪力和海流力等力的作用，所以半潜式平台一直处于不规则的运动的状态，动力响应较为复杂。
显而易见，半潜式海洋平台处于一个十分恶劣的海况，并且锚泊系统定位是唯一的依靠，所以相比于船舶，半潜式平台的事故率会较高，造成的损失也不可估量。
例如：
1961年Texas平台遭遇极端风暴而沉没，不仅造成重大经济损失，同时有28人也不幸遇难。
再举出一次非常惨重的事故的例子，巴西的P-36号平台作为世界上罕有的大型钻井平台，原本强力推进巴西的经济发展，帮助巴西经济实现质的飞越。
但是，在2001年3月该钻井平台倾塌，对巴西的经济社会发展造成了不小的影响。
接连不断发生的事故引发了人们的恐慌，所以海洋平台的结构强度引起了专家学者们的注意。
综上所述，为了提高半潜式钻井平台使用的安全性，对半潜式钻井平台极限强度进行计算与分析，是具有重大意义的，同样是不可或缺的。
1.3半潜式平台研究现状
1962年，壳牌石油公司建造了世界上第一艘半潜式平台“BlueWaterI”，经过50多年的研究和发展，海洋平台在各方面都发生了巨大的变化。
至今为止，半潜式平台在短短半个世纪里完成了从第一代到第六代的升级。
半潜式平台的主体结构一般可分为四种：
上部箱体结构、下浮体、立柱和撑杆。
现在主流的半潜式平台一般由上部矩形的箱形结构和多个下浮体结构组成。
第五、六代相比较前期的半潜式平台，有着以下特点和优势：
（1）外形结构简化：
最初平台的立柱数目大多为6根、8根，现今已减少到4根，数目大幅下降，撑杆节点的形式被简化。
原先平台的下浮体是鱼雷形、船形，现在已简化成简单的箱形结构，甲板主体也变成规则的箱形，且有1—2m的双层底。
（2）工作水深范围明显增加：
现在的有近1/3的半潜式平台的工作水深超过1829m，远大于1977年以前的水平。
专家们预测，工作水深达到4000—5000m的半潜式平台有望在20年内被建造出来。
（3）采用强度更高的钢材：
目前，高强度钢（σ=420MPa—460MPa）的使用率较高，更高强度的钢材现在也被应用于建造平台某些重要结构，未来超高强度钢也可能投入使用。
（4）甲板空间与可变载荷加大。
由于甲板空间的加大，平台工作的安全性有了显著提升；而可变载荷的增加，让平台能够适应更大的工作水深。
（5）能适应恶劣的工况。
因为技术的发展革新，半潜式平台拥有更加强大的动力配置能力和抗风浪性能，以及更加精准的动力定位技术，这让半潜式平台能够轻松应对更恶劣的海况。
（6）仓储面积变大。
由于半潜式平台作业海域离陆地较远，物资补给较为不便，所以加大仓储容积以增强平台的自持力，延长工作时间。
（7）功能多元化。
最初的半潜式平台的功能仅仅局限于钻井或采油，现今已发展到钻井、修井、采油和生产处理等多功能一体化。
在半潜式平台研究应用方面，美国和挪威等海洋利用意识较强的国家都比较早着手进行。
由于深海勘探费用较大，国际上只有少数石油公司有资金或技术实力进行深海石油勘探和开采。
近些年来，这些石油公司在深海开发领域的投入不断增加。
显而易见，半潜式平台等移动式钻采设备已逐渐成为油气工业发展至关重要的部分。
深水或超深水勘探作业费用十分巨大,目前有能力（资金或技术实力）进行深海石油勘探开发的公司很少，主要有BP、Shell、Exxon、Mobil、Chevron、Texaco、Petrobras等大石油公司。
近年来,各大石油公司在深海领域的投资不断增加。
2001年全球在深海的石油开发投资超过110亿美元,还不包括勘探及评价投资;2003年现有深海油田及新项目的投资超过150亿美元。
可见,向海洋和深海要油气,发展以半潜式平台为代表的新一代移动式钻采装置，这是世界油气工业发展具有重大战略意义的一项工作。
我国研究半潜式平台起步较晚，但利用深海钻采装置勘探和开发深海资源已成为一个必然的趋势。
我国目前油气勘探开采主要集中于浅海和近海海域，深海开发能力还有待提高。
1984年，我国自行研制的半潜式平台—勘探三号投入了使用，自此以后，技术研究一度陷入了停滞不前的状态。
为了缓解高速经济发展带来的能源压力，国内投入大量人力、物力资源研究深海勘探开发技术，以期完成新型半潜式平台的初步设计和建造方案。
一旦这项工作完成，我国的深海勘探和开发技术将会有很大程度的提高进步。
1.4平台极限强度国内外研究现状
平台各主要结构型式与尺寸主要依据平台极限强度来确定，因此对平台进行极限强度分析十分有必要。
平台极限强度涉及很多方面，比如：
在建模过程中结构依据的主要原则、在分析过程中结构选择的主要工况等。
美国ABS船级社指出根据载荷的第一原则是设计问题中的重中之重，结构所可能受到的各种载荷以及这些载荷的各种组合形式必须全部考虑在内；船舶和海洋平台在实际运行中所以有可能遇到的载荷情况必须通过设计载荷的确定来展现出来。
波浪载荷是在平台受到的载荷中是最重要的部分，所以平台设计和强度分析中至关重要的部分，就是能否正确的计算船平台的波浪诱导载荷与运动状态。
在实际研究极限强度的过程中，梁园华等人借助ANSYS软件，校核BINGO9000号半潜式海洋平台的总体强度，同时也也对局部强度进行了校核。
张海彬等人以挪威DNV船级社开发的SESAM软件为依托，选取五种常见的载荷工况，校核了半潜式海洋平台的结构强度。
与梁园华的方法相比，虽然在校核的过程中，该法考虑了因为平台运动引起惯性力产生的影响和液舱内储存的液体对舱壁的作用力，但是在确定设计波参数时，应用了极限波高的方法，所以在结构强度分析时，并没有考虑极限海况下的风载、流载和锚链载荷，所以从严格意义上来讲，不能称得上是真正的极限海况下的结构强度校核。
另外，也有学者在综合了有限体积法和边界元法两种方法后，计算了波浪与桩柱列阵之间相互的作用力。
此法的优点是，与实验结果高度一致，并且能够将波浪与结构之间的相互作用状态更立体的呈现出来。
但它不是没有缺陷的，目前的技术理论还不能体现出模拟波浪与浮动结构之间的相互作用力。
戴仰山等人利用较为系统的方法，解释了基于线性势流理论上的二维切片理论。
刘应中等详细的总结出，在基于三维势流理论上的时域法和频域法。
在非高斯和高斯随机波浪载荷的作用下，ByAhsan具体比较了平台的频率响应情况，首次运用统计学的理论总结了施加在平台上的波浪载荷的非线性效应的结果，得出了若不考虑波浪载荷的非线性在内的情况下，会导致低估平台响应的结论。
滕斌利用时域格林函数，来求解时域的初值，同时他运用满足时域自由水面条件的格林函数法，分析了不同形状的结构物体的波浪载荷，的出它们之间的差异。
竺艳蓉系统总结了在实际工程中海洋平台的随机波浪载荷的运用方式。
现今，各大船级社规范都规定必须利用直接计算方法，对半潜式海洋平台的波浪载荷和强度分析，必须采用有限元分析方法来进行结构强度分析。
世界上各大船级社和有关规范组织都颁布了自己拟定的海洋平台建造与入级规范，比如《海上移动平台入级与建造规范》（中国CCS船级社），《移动式钻井平台的建造与入级规范》（美国ABS船级社），《移动式近海平台入级规范》（挪威DNV船级社），这些都是为了保证海洋平台的安全性，这些规范现在还在不断更新中，会及时的修改规范，以应对在现实建造和工作过程中新出现的状况。
韩晓风等人利用ANSYS软件对平台进行了极限承载力分析。
第一步，用ANSYS软件建出平台的数值模型，给模型加极端波浪载荷，分别进行静力和动力分析，得到平台在载荷下的速度、位移、加速度曲线；然后，对平台模型进行材料的非线性极限承载力分析，完好平台的极限承载力由此得出。
平台在使用过程中，会有平台腐蚀、地基土冲和杆件断裂等因素对平台造成损伤，这些因素对平台结构极限承载力和安全性都有影响。
邢金有等用简化逐步破坏法分析了一座在工作中折断的平台，该平台已经老化，通过极限强度分析，分析出平台折断的原因是底部纵骨的稳性不足。
这个案例也说明了，极限强度分析对保障平台的安全性是必不可少的。
王林等人利用MSC/Marc分析了TT型圆管节点在轴向力作用下的极限强度。
该法是利用MSC/Patran软件建有限元模型，根据Mises屈服准则，用NR法分析，MSC/Marc软件中有非线性分析模块，可以利用这个模块对在轴向力作用下管节点的塑性极限载荷，并对各参数对节点的影响进行讨论，为可靠性分析做好基础工作。
国外的学者们对极限强度分析也做了大量的研究工作。
Stewart提供了一种简单的模拟系统，可以直接利用传统线性分析程序进行框架倒塌特性分析。
支撑杆件轴向屈服（屈曲）或拉出（传透）是倒塌模式的主要形式。
在组合载荷下，利用强制线性系统来模拟非线性系统的特性，因为倒塌机制中的杆件的存在，对于大的结构来说，约束力也相对较小。
Lie对有缺陷裂纹的K节点施加静态载荷直至破坏，得出载荷—位移权限与有限元分析结果一致，体现出有限元法解决极限强度问题的准确性和可靠性。
Rama等人研究了加筋和不加筋的T节点的静态弹性和塑性，引用了板单元应变减退假设的思想，观察两种结构在逐步加载下的各种应变和弹性塑性变化，与实验结果基本吻合。
Joem在轴向压力下，对有裂纹的加筋板进行剩余极限强度试验，重点处理与力方向一致的裂纹。
Purnendu运用了一个基于缩减因数的公式来预测有初始缺陷的加筋板在纵向压力下的极限强度。
新的公式考虑到工况中横向、纵向、侧向和剪切应力等诸多因素。
新的公式经过验证后，结果也基本相符。
Lalani提出结构整体估算过程，有三个步骤，有次进行对平面框架的倒塌分析。
运用“杆件替代法”来完成“推倒”分析，这种方法只需要线性分析程序，无需复杂的非线性分析程序。
但是这种方法有一项主要的缺点—不能考虑连续的强度退化，得到的极限强度的值比较保守，手动操作时间比较多，不够方便。
1.5本文的主要工作
（1）介绍国内外半潜式平台的发展现状和极限强度理论的研究现状；
（2）学习极限强度的研究方法以及有限元基本理论；
（3）简要介绍ANSYS软件的发展过程和功能；
（4）以半潜式钻井平台甲板结构为例，利用ANSYS软件建模，对模型加载分析，并对结果进行极限强度分析，画出应力—位移图；
（5）对论文进行总结，针对论文中遇到的极限强度问题进行探讨。
总结出论文的不足之处和可以进一步完善的地方，展望与课题有关联的研究。
第二章结构极限强度分析
2.1半潜式平台极限强度计算方法
平台结构达到极限状态一个非常复杂的非线性过程，所以采用结构非线性方法来计算得出的结果才会较为准确。
因为平台和船舶在结构上较为相似，都是由大量加筋板组成的箱形结构，所以本文引用了船舶中常用的简化逐步破坏分析法来计算平台的极限强度。
该方法由Smith提出适用于船体梁手纵向弯曲后的船体剖面的逐步破坏过程的分析。
因为半潜式平台甲板结构与船体结构类似，都有加筋和附连板，故计算船体结构强度的方法船体计算同样适用于甲板结构。
计算极限弯矩的方法大致可以分为三类：
第一类：
直接计算法（directmethod）。
直接计算法又可分为三类：
线弹性方法（EM），经验公式（EF）和解析法（AM）。
线弹性方法虽然操作较为简单，但是精确度较低，是由于船体结构发生屈曲变形后，船体的性能呈非线性了。
经验公式法较为较为局限，仅仅对常见的船型有稍准确的解，数据导出比较有限。
解析法是利用理论方法对船体剖面的极限弯矩进行求解的，精确度相对较高，适用范围广。
第二类：
逐步破坏法（progressivecollapsemethod）。
本文使用的非线性有限元法就属于逐步破坏法的一种。
最初的Smith方法计算结果准确，很大程度上依赖单元上的平均应力—应变关系。
所以之后的专家学者们的研究重心就侧重于单元的应力—应变关系，并由此发散思维，提出了自己不同的计算方法。
第三类：
实船事故调查和模型试验方法。
实船事故调查数据样本较少，在实船上进行试验代价成本和代价又过大，所以该法不如模型试验实用。
第四类：
理想结构单元法。
理想结构化单元法的基础就是有限元思想，但它与有限元方法也有一定的区别，主要就是单元类型、尺寸和数量的不同。
理想化结构单元法较之有限单元法的也存在优点，即节点的自由度个数减少了，每个结构单元都有可能失效形式的理论公式。
第五类：
非线性有限元法。
非线性有限元法可以在结构极限强度中直接使用，有足够的能力对影响极限强度的一些重要因素进行处理。
随着计算机技术的飞速发展，越来越多的大型有限元程序已经应用到极限强度计算中了。
这些软件都能够对结构极限破坏进行准确的模拟，都可以用于评估结构的极限承载力。
2.1.1基本假定
（1）平断面假定:
平台的横截面在曲率变化前后都是平面，即可保证横截面上的应变沿着深度方向线性分析；
（2）平台的整体失稳应力大于框架之间梁和柱的崩溃应力；
（3）假设平台的横向框架强度足够，横框架在极限状态下能保持不被破坏，就只有横框架之间的加筋板被破坏；
（4）框架间的崩溃应力小于加强筋的侧倾应力。
2.1.2简化逐步破坏分析法计算极限强度过程
相比较Caldwell法，逐步分析法考虑了极限强度计算时考虑到局部构件达到极限强度之后，强度折减的状况，而考虑每个结构单元的强度折减是十分必要的。
下面介绍几种常用的逐步破坏法的方式。
1、简化方法（Smith方法）
Smith方法比较节省人力和财力，较为容易实现。
该方法的基本思想就是考虑达到极限强度之后每个结构单元的折减，以及每个单元崩溃时间的先后顺序。
（1）划分单元：
将平台的中剖面离散为一系列的加筋板单元和硬角单元，每块加筋板单元由一根加强筋和带板组成；
图1板架结构
（2）确定全部加筋板单元的平均应力—应变关系；
（3）将平台的整体曲率初始化，令
将瞬时弹性中和轴视为有效面弹性面中和轴，初始曲率的公式为
（4）单元相应的应变为
，
诶瞬时弹性中和轴到第i个单元的垂直高度，当前应力可有单元应力—应变关系确定。
（5）建整体截面的力平衡方程，更新
，
，
的值，来确定总拉力和总压力的差值可以计算中和轴方向的改变，即满足下式。
（6）将所有单元对瞬时中和轴的弯矩叠加起来，得到当前应变下平台截面的总弯矩，即
，
式中：
是第i个单元的有效截面面积，当拉伸时取其全面积，n是单元总数；
（7）增加曲率
，新的曲率为
，重复步骤3—6；
（8）计算弯矩与曲率的关系曲线克制，曲率斜率为0的点就是所求船体的极限弯矩。
2.1.3半潜式平台极限强度的预判
半潜式平台内部结构分部十分复杂，每一个结构都承担着维持平台整体承载能力的重任。
当某一局部结构受到极端载荷作用，达到极限状态而受到破坏后，平台整体也会损失大部分承载能力。
所以通过预判平台在哪些特定的状况下会发生破坏，是十分有意义的。
1、横向受力最大状态
2、最大垂向弯曲状态
3、最大纵向剪切状态
4、最大扭转状态
2.2有限元分析法
2.2.1有限元分析法的起源和概述
20世纪40年代初期，有限单元
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