（船舶與海洋結構物設計制造專業(yè)論文）自升式平臺懸臂梁設計工具研究.pdf

大連理工大學碩士學位論文 摘要 在懸臂自升式海洋鉆井平臺設計中 懸臂梁的設計是影響到平臺整體作業(yè)能力的重 要工作 在平臺方案設計階段 由于總體設計方案頻繁修改 平臺整體尺寸不斷變化 相應地懸臂梁設計尺寸也隨之頻繁修改 而每次修改都需要對新方案下懸臂粱的結構強 度做出計算和校核 結構計算的最可靠的方案是有限元分析 懸臂梁有限元結構建模是 一個耗時的復雜工作 如果設計模型頻繁修改 工作量巨大 因此 研究和開發(fā)針對懸 臂粱結構設計的 支持參數(shù)化設計修改的 有限元建模 加載 分析校核以及工程圖生 成等功能的軟件工具 對于懸臂梁結構方案設計優(yōu)化意義重大 為此 本文研究和開發(fā)了基于v b 6 0 的懸臂自升式海洋鉆井平臺懸臂梁的參數(shù)化建 模和繪圖 實現(xiàn)了可視化參數(shù)輸入系統(tǒng) 主要研究內容如下 1 研究分析了懸臂梁鉆臺區(qū) 中間區(qū)及鋪管甲板區(qū)的長度同普通框架 加強框架 區(qū)的相互位置及相互距離等關系 實現(xiàn)對其實現(xiàn)參數(shù)化建模 研究分析懸臂梁的各個尺 寸間的關系 并找出幾個對其影響較大的參數(shù) 分析懸臂梁處于不同外伸及橫移狀態(tài)下 的受力及約束情況 并對其實現(xiàn)參數(shù)化加載 2 以a n s y s 為分析工具 南海4 號懸臂梁的結構形式為基礎 使用戶輸入較少一 些參數(shù) 就可以迅速生成懸臂梁建模 加載分析的命令流 調用a n s y s 并進行有限元分 析運算 并提取其分析結果 3 用v b 6 0 為開發(fā)工具 通過o l e 調用a u t o c a d 迅速生成懸臂梁的三視圖等圖 形 本文用參數(shù)化建模 分析及繪圖化思想 建立了懸臂粱整個參數(shù)化模型 使設計者 只需修改一些參數(shù)就可以完成全模型有限元及繪圖工作 大大降低了設計者的工作量 關鍵詞 自升式平臺 懸臂梁 參數(shù)化 a n s y s 自升式平臺懸臂梁設計工具研究 r e s e a r c ho f d e s i g nt 0 0 lf o rc a n t e v e r o ft h ej a c k u pp i a t f o r m a b s t r a c t i nt h ed e s i g np r o c e s so ft h ej a c k u pp l a t f o r m t h ed e s i g no fc a n t i l e v e rb e a mi sv e r y i m p o r t a n tf o rt h eg l o b a lo p e r a t i o n a lc a p a c i t yo ft h ep l a t f o r m d u r i n gt h ep l a t f o r m sd e s i g n t h eg l o b a ld e s i g ns c h e m en e e d st ob em o d i f i e dd u et om a n yf a c t o r s t h ep l a t f o r ma l s on e e d st o b em o d i f i e d s ot h ec a n t i l e v e rb e a mn e e d st ob em o d i f i e di ns i z e 1 1 l es t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n a n dv e r i f i c a t i o nm u s tb em a d ef o re a c hr e v i s i n g t h em o s tr e l i a b l eo fs t r u c t u r a lc a l c u l a t i o ni s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a m i ti sac o m p l e xa n dt i m e c o n s u m i n gw o r kt oe s t a b l i s ht h e 矗n i t ce l e m e n ts t r u c t u r a lm o d e lo f 也ec a n t i l e v e ra n di tw i i ib et r e m e n d o u sw o r k l o a di ft h e d e s i g nm o d e lf r e q u e n tc h a n g e s a c c o r d i n g l yi tw i l lb eo fs i g n i f i c a n c et os t u d ya n dd e v e l o pa t o o lw h i c hc a l lm a k ep a r a m e t e r sd e s i g n f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g l o a d i n g a n a l y s i sa n d g e n e r a t i n gg r a p h i c sa n ds oo i l t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m t h ew r i t e rd o e ss o m er e s e a r c hi nt h ec r e a t i o no fp a r a m e t r i c m o d e l i n ga n dd r a w i n gg r a p h i c sf o rt h ec a n t i l e v e ro fj a c k u pp l a t f o r mb a s e do nv b 6 0 n c w r i t e rm a d ea c h i e v e m e n to fv i s u a l i z a t i o no fas y s t e mo fi n p u tp a r a m e t e r s t h em a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w i n g 1s o m er e s e a r c h e sw e r em a d ea m o n gt h el e n g t ho ft h ed r i l l i n ga r e a t h ec o n n e c t i n ga r e a a n dt h ed e c ka n dt h em u t u a ll o c a t i o no ft h ec o m m 0 1 f r a m e w o r ka n dt h es t r e n g t h e n e d f r a m e w o r k a n dt h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gw a ss u c c e e d e di nt h e m mr e l a t i o n s h i p sw e r e a n a l y z e da b o u tv a r i o u sd i m e n s i o n so ft h ec a n t i l e v e r a n ds o m ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c eo n t h ec a n t i l e v e rm o s t l yw e r ef o u n d t h ef o r c e sa n dc o n s t r a i n t so ft h ec a n t i l e v e rw h i c hw a si n d i f f e r e n to v e r h a n g sa n dt r a n s v e r s e sw e r es t u d i e d a n dt h ep a r a m e t r i cl o a d i n gw a sa l s o s u c c e e d e di nt h e m 2a s y s t e mw a ss u c c e e d e do nt h eb a s i so ft h ec a n t i l e v e rs t r u c t u r eo fn h 4p l a t f o r ma n d a n s y ss o f t w a r e w h i c hc a nm a k et h eu s e ri n p u tl c s sp a r a m e t e r sa n dg e n e r a t et h cc a n t i l e v e r m o d e l i n ga n dl o a d i n go r d e rf l o wr a p i d l y t h e ni t c a l la n s y s 刪a n a l y s i sc o m p u t a t i o n f i n a l l y t h er e s u l t sc a nb ee x t r a c t e df r o mt h ea n a l y s i s 3t h es y s t e mc a nc a l lt h ea u t o c a dt h r o u g ho l eb a s e do nv b 6 0 i ta l s oc a l lg e n e r a t e t h et h r e e v i e wg r a p h i c so ft h ec a n t i l e v e ra n do t h e rg r a p h i c sq u i c k l y i nt h i sp a p e r o nt h et h i n k i n go fp a r a m e t r i cm o d e l i n g a n a l y s i sa n dm a p p i n g t h ee n t i r e p a r a m e t e rm o d e lo f t h ec a n t i l e v e rw a se s t a b l i s h e d s ot h a tt h ed e s i g n e rc a l lc o m p l e t et h ef i n i t e 大連理工大學碩士學位論文 e l e m e n tm o d e la n dt h ee n t i r e m a p p i n gw o r kb ym a k i n gs o m em o d i f i c a t i o n o fs o m e p a r a m e t e r s i tc a l lr e d u c et h ew o r k l o a do ft h ed e s i g n e rg r e a t l y k e yw o r d s j a c k u pp l a t f o r m c a n t i l e v e r p a r a m e t r i c a n s y s 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明 本碩士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學位或證書所使用過的材料 與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意 大連理工大學碩士研究生學位論文 大連理工大學學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 大連理工大學碩士 博士學位 論文版權使用規(guī)定 同意大連理工大學保留并向國家有關部門或機構送 交學位論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連理 工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 也 可采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文 作 李靈 新虢邀僻 型墮年 l 月 日 大連理工大學碩士學位論文 1 緒論 1 1 論文背景及意義 隨著社會的發(fā)展和科技的進步 人類對于能源的需求也愈來愈大 石油工業(yè)是能源 工業(yè)中最主要的組成部分 當陸上油氣資源經(jīng)過長期 大規(guī)模開發(fā)之后 世界范圍內的 油氣勘探與開發(fā)己轉向了占地球表面7 1 左右的海洋 并逐漸形成了投資高 風險大 高技術密集的能源工業(yè)新領域 目前 世界上已經(jīng)被證實的石油儲量中海洋石油占5 0 預計到2 0 1 5 年海洋石油產(chǎn)量將占世界石油總產(chǎn)量的3 9 我國海域遼闊 其中大陸架面 積約有1 1 0 萬平方公里 渤海 黃海 東海和南海都有大面積的沉積盒地 其中具有油 氣勘探價值的面積在6 0 萬平方公里以上 近海海域累計探明石油地質儲量為2 4 i 億噸 近海石油儲量可達5 0 1 5 0 億噸 這是我國海上石油天然氣開發(fā)的豐富資源基礎 海洋 平臺是海洋石油天然氣資源開發(fā)的基礎性設施 是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地 它為開 發(fā)和利用海洋資源提供了海上作業(yè)與生活的場所 海洋平臺的設計和建造水平 在一定 程度上標志著海上石油的開發(fā)水平 自上世紀4 0 年代后期第一座鋼質海洋石油鉆井平 臺在墨西哥灣建成投產(chǎn)以來 海洋平臺的發(fā)展經(jīng)歷了由簡單到復雜的過程 平臺的建筑 材料從木材到鋼材 到鋼筋混凝土 結構形式從固定式到移動式等多種結構形式 作業(yè) 水深2 3 米 發(fā)展到幾百米 甚至近千米 海洋平臺 哪大體上可以分為移動式平臺和固定式平臺兩大類 移動式平臺包括坐底 式平臺 自升式平臺 半潛式平臺和鉆井船 固定式平臺包括鋼質導管架平臺 混凝土 重力式平臺 張力腿式平臺和牽索塔式平臺 早期的平臺都是固定式平臺 1 8 9 6 年 美 國人以棧橋連陸方式在加利福尼亞距海岸2 0 0 多米處打出了第一口海上油井 它標志著 海上石油工業(yè)的誕生 到了2 0 世紀4 0 年代 第一臺專門用于海上石油鉆探開采的平臺 建成 雖然此平臺的工作水深只有7 米 但是這項技術進步卻使海上石油工業(yè)出現(xiàn)突飛 猛進的發(fā)展 到1 9 7 9 年全世界近海己有7 0 0 0 余座固定式海洋石油鉆探生產(chǎn)平臺 第二 次世界大戰(zhàn)后 海洋石油鉆探開采技術突飛猛進 可開發(fā)深度越來越大 并能在各種復 雜的海況情況下開采石油 2 0 世紀5 0 年代以后 研制成功各種移動式鉆井平臺 克服 了固定式平臺不能重復使用的缺點 并大大增加了工作水深 移動式海洋石油鉆井設備 擁有自己的浮力結構 可以用拖船拖航 有的還擁有自己的動力設備 可以自航 進入 2 0 世紀7 0 年代 海上石油平臺的數(shù)量猛增 特別是半潛式平臺 1 9 6 5 年還只有7 0 臺 截至2 0 0 1 年3 月浮動石油平臺已超過6 0 0 臺 遍布世界各個沿海地區(qū)域 統(tǒng)計分析 自升式平臺懸臂梁設計工具研究 大約4 1 2 6 7 座 的海洋石油平臺的年齡超過2 0 年 其中相當一部分將在未來5 年內 更新 即每年大約需要更新5 0 余座海洋油氣平臺 據(jù)研究表明 海上石油天然氣資源主要存在于大陸架 由大陸架 大陸坡和大陸隆 三部分組成的大陸邊緣占海洋總面積2 5 大陸架一般是指由陸地向外延伸到水深2 0 0 米左右的海域 大陸坡由大陸架向外延伸到水深2 5 0 0 米處 大陸隆則由大陸坡再向外延 伸到4 5 0 0 米水深 根據(jù)石油天然氣生成于沉積巖的正確假設 油氣生成取決于沉積層 的厚度 大陸邊緣的沉積層厚達數(shù)千米 它們的油氣潛在資源比深海海底大得多 據(jù)專 家估計 大陸邊緣含有的油氣潛在資源占海底總的油氣資源的9 9 而深海海底沉積中 只占1 自升式平臺的結構形式和特點最適于在中淺深度海域工作 又由于自升式平臺 具有所需鋼材少 造價低 在各種海況下都能平穩(wěn)進行鉆井工作等優(yōu)點 因而在海上石 油開發(fā)中得到廣泛應用 據(jù)資料預測 未來5 年海洋油氣開發(fā)將繼續(xù)保持活躍 海洋油 氣平臺的需求也將保持較高的水平 常規(guī)懸臂自升式平臺市場需求將呈現(xiàn)出繁榮的景 象 1 2 海洋平臺研究現(xiàn)狀 海洋平臺結構在服役期間要承受復雜的載荷 各種結構失效造成的平臺事故損失嚴 重 為了使昂貴的平臺能安全長期地運營 對海洋平臺諸多方面的研究白海洋平臺出現(xiàn) 以來就不斷地進行著 對于海洋平臺所受載荷研究 主要集中在風 浪 流等環(huán)境載荷上 而波浪載荷也 是研究的重點 o 波浪載荷與波浪理論密切相關 常用的波浪理論有線性波理論 坦谷 波理論和橢圓余弦波理論 而在海洋工程界采用更多的則是s t o k e s 發(fā)展的有限波幅理論 嘲 自從1 9 5 1 年m o r i s o n 和他的同事們在大量試驗與理論研究基礎上提出著名的m o r i s o n 公式計算平臺樁腿波浪力以來 一直沿用至今m 關于海洋平臺波浪響應的研究進行的 也很多 d a r i ob o o t c 等分析了海洋平臺結構在非線性時域內的響應 并利用a n s y s 非 線性有限元模型計算了平臺整體結構的極限強度和剩余強度 g j g r u n d l e h n c r 研究了 處于升船狀態(tài)的自升式平臺 在典型惡劣深水海況下的動力響應 結果顯示動力響應的 不確定性主要與波峰模型 m o r i s o n 公式和阻尼有關 英國n a j a f i a n 嘲等用隨機抽樣 技術對波浪和流作用下海洋結構隨機響應的概率分布進行了研究 不僅分析了幾個實際 平臺的實測數(shù)據(jù) 而且對群樁結構的隨機響應進行了抽樣分析 得到了各參數(shù)的概率分 布 荷蘭k a r a d c n i z 啪1 對波浪和地震載荷聯(lián)合作用下海洋結構的運動進行了譜分析 首 先對波浪和地面運動進行了隨機描述 即波浪譜和地震的表示形式 然后對結構的水動 大連理工大學碩士學位論文 力阻尼和附加質量及波浪和地震力在頻譜內作了數(shù)學描述 最后得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和 運動響應 h a n n t t 和m u l l a r k e y 柚 應用譜分析技術 對大型導管架平臺的隨機響應問 題進行了研究 與有限元分析技術結合 建立平臺的剛度陣 質量陣 將平臺模擬成空 間剛架結構 每個構件為三維梁單元 并考慮了剪切力的影響 h 如和b e n a r o y a 1 采用 p m 譜和m o r o n 方程建立隨機波浪力計算模型 并比較了順應式海洋平臺在被模擬成 線性 非線性兩種模型的情況下對隨機波浪的響應 在平臺結構的應力計算方面 有限元分析方法日趨成熟 戴大農等采用三維等參元 和三維相對自由度殼元的組合模型和予結構技術對海洋平臺管節(jié)點的應力進行了有限 元分析 在整體結構有限元分析中 由于構件眾多 經(jīng)常采用等效剛度法 將實際結 構中的組合型材簡化成剛度等效的梁單元 等效梁 歐進萍 等采用實測冰壓力時 程 對渤海遼東灣北部的j 乙2 0 2m u q 平臺結構進行了冰振反應分析 計算了不同設計 冰厚 不同作用方向和標高及平臺樁腿有無正倒錐體的結構反應 探討了正倒錐體對減 輕冰力和結構反應的作用 曲月霞和王永學 假定冰厚為具有對數(shù)正態(tài)分布的隨機變 量 并考慮了冰的剛度 破碎長度及清除應力隨冰厚的變化 建立了海冰與近海結構物 動力相互作用的隨機數(shù)學模型 分析了冰和結構的各種參數(shù)對海冰作用下平臺結構振動 的影響 對不同動力特性的導管架平臺結構簡化模型 進行了海冰作用下結構自激振動 響應的數(shù)值計算 張運良 對冰荷載作用下結構動力響應研究現(xiàn)狀進行了綜合評述 屈曲也是結構的主要失效模式之一 關于等值梁和矩形板的屈曲已經(jīng)有了精確解 2 關于類似平臺甲板單層板格屈曲和后屈曲的研究也非常活躍 s h a n m u g a m 等對受軸 向和橫向壓力作用的四邊簡支加筋板的屆曲進行了試驗研究 結果表明隨著板柔度的增 加 加筋板的極限承載能力下降的非?？斐?我國學者王震鳴等探討了有缺陷金屬和復 合材料加筋板殼的面板在局部屈曲前后的有效剛度問題 給出了加筋板在外載荷作用下 面板先發(fā)生局部屈曲 或局部屈曲載荷與整體屈曲載荷相近時承載能力的近似計算方 法 指出了提高加筋板殼承載能力的主要途徑矧 王永軍 崔維成利用e p m 法的基本思 想推導了船體平板和加筋板格在聯(lián)合載荷作用下的壓縮極限強度計算公式 公式中考慮 了殘余應力和初始撓度的影響咖 a n t o m 0 0 f m a t e u s 等利用非線性有限元分析方法研究 了典型船舶與海洋工程板架結構的屈曲與后屈曲行為 分析中重點考慮了腐蝕的影響 陸 據(jù)統(tǒng)計 在金屬機械結構的斷裂事故中 有8 0 以上是由疲勞引起的 疲勞破壞也 是船舶與海洋工程結構主要的失效模式之一 對于船舶結構的疲勞問題 在二十世紀六 十年代就己引起造船界的關注 而人們對海洋平臺結構的疲勞研究則要更早一些 1 9 8 0 年舢e x 札d e rk e v l a i l d 號半潛式平臺在北海翻沉 造成一百余人葬身海底 調查分析的 自升式平臺懸臂粱設計工具研究 結果表明 結構的疲勞是事故的重要原因之一 由于海洋平臺結構疲勞破壞的事故時有 發(fā)生 并且造成巨大的損失 因而海洋工程結構的疲勞破壞日益引起重視 目前世界各 主要船級社的平臺建造與入級規(guī)范都建立了各自的疲勞強度校核方法與許用應力范圍 衡準 在船舶與海洋工程界中 關于結構的疲勞破壞進行了大量的研究 在對結構的 疲勞損傷和壽命估算中 通常采用m i n e r 線性累積損傷理論和s n 曲線來計算 并通過 試驗總結出一些規(guī)律 近年來 斷裂力學的方法在疲勞分析中的應用越來越廣泛 丁 克勤 柳春圖等利用斷裂力學方法對海洋平臺用鋼的疲勞裂紋擴展進行了系統(tǒng)研究 在 試驗基礎上總結出確定裂紋擴展曲線的快速方法 7 鲞 早期的疲勞分析都是在確定性的意義上進行的 認為計算的有關參量都有確定的數(shù) 值 但事實上海洋工程結構的疲勞是一個受大量不確定因素影響的復雜現(xiàn)象 而且大多 數(shù)影響因素從本質上講是隨機的嘲 例如 由海浪無規(guī)則運動引起的波浪載荷是隨機的 由材料性能的分散性和材料性能測試過程中不確定性因素得到的結構疲勞強度是隨機 的 另外在疲勞計算中由假設和簡化造成的計算結果與結構真實內力之間的誤差也是隨 機的 后來雖然引入p s n 曲線方法 但它只是對確定性方法的局部改進 隨著認識的 深入和科技的進步 可靠性理論在結構的疲勞分析中的應用飛速發(fā)展 朱啟憲從實用的 觀點敘述了有關海洋平臺可靠性設計的主要問題和采用可靠性安全系數(shù)法的主要步驟 c g u e d e ss o a r e s 等對含有多裂紋結構的疲勞可靠性進行了研究 并分析了裂紋初始擴 展時間與初始裂紋長度對可靠度的影響 1 3 自升式平臺及懸臂梁結構 1 3 1 自升式平臺 自升式平臺產(chǎn)生于1 9 5 1 年 目前在世界范圍內具有最為廣泛的應用 數(shù)量不斷攀 升 在移動式平臺家族中占據(jù)主要地位 自升式平臺數(shù)量隨年份的變化的趨勢見圖1 1 據(jù)r i gl o c a t o r 的調查報告表明 截至1 9 9 9 年底 太平洋及中東地區(qū)的移動式鉆井 裝置共1 6 5 座 其中自升式平臺1 3 5 座 占總數(shù)的百分之八十以上 1 9 9 9 年在建的3 0 座平臺中 有1 0 座是自升式平臺 一4 一 大連理工大學碩士學位論文 圖1 1 自升式平臺數(shù)量隨年份變化圖 f i g 1 1t h e c o u n t c h a n g e db y y e a r o f j a c k u p s 自升式平臺由平臺主體 樁腿和升降機構三部分組成 平臺主體的平面形狀一般有三角形 三樁腿 矩形 四樁腿 和五角形 五樁腿 等 平 臺主體通常是一個具有單層底或雙層底的單甲板箱形結構 其內部根據(jù)作業(yè) 布置和強 度要求設有縱艙壁和橫艙壁 但在樁腿之間的連線上必須設置強力艙壁作為平臺主體的 主桁材 樁腿的作用主要是在平臺主體升起后支撐平臺的全部重量 并把載荷傳至海底 樁 腿的結構形式分為殼體式和桁架式兩類 殼體式樁腿由鋼板焊接成封閉形的結構 其橫 斷面有圓形和方形兩種 早期的自升式平臺樁腿多為圓柱殼體 為配合升降裝置 樁腿 上有的設有銷孔 有的裝有齒條 殼體式樁腿一般用于工作水深6 0 7 0 m 以下 深水的 自升式平臺都采用析架式樁腿 析架式樁腿由弦桿 斜撐桿和水平撐桿組成 在弦桿上 裝有齒條 為適應海底地貌和土質的不同情況 樁腿下端可設計成單獨帶樁腿箱 亦稱 樁靴 早期的自升式平臺也有設計成整體沉墊的形式 升降裝置裝在平臺主體和樁腿的交接處 升降機構能使樁腿和平臺主體實現(xiàn)上下相 對運動 或把平臺主體固定于樁腿的某一位置 升降裝置常用的有電動液壓式和電動齒 輪齒條式兩類 電動液壓升降裝置常用于殼體式樁腿 它利用液壓缸中活塞桿的伸縮帶 動環(huán)梁上下運動 并利用鎖銷將環(huán)梁和樁腿鎖緊而實現(xiàn)平臺和樁腿的相互運動 電動齒 輪齒條升降裝置常用于彬架式樁腿 它由電動機經(jīng)過減速機構帶動齒輪轉動 使齒輪與 樁腿上的齒條嚙合而完成平臺主體與樁腿之間的相互運動 當電動機處于制動狀態(tài)時 則可把平臺主體固定于樁腿的某一位置 自升式平臺懸臂梁設計工具研究 1 3 2 懸臂梁結構 自升式平臺依據(jù)平臺鉆井區(qū)域結構形式的不同可分為槽口式自升式平臺和懸臂梁 式自升式平臺 槽口式平臺在主體的尾端開有槽口 鉆臺及井架位于井口槽的上面 鉆 臺上的鉆桿向下通過井口槽到達海底 懸臂梁式平臺不在主體結構上開槽 但在甲板上 設有兩道相互平行的鋼梁 鉆臺及井架安置在鋼梁上 鋼梁可在滑軌上移動并連同鉆臺 及井架一起伸向平臺尾端舷外 成為懸臂式結構 相比之下 懸臂式平臺不僅可以鉆勘 探井 還可以鉆生產(chǎn)井 也可進行修井作業(yè) 而且井架活動范圍大 每次插樁作業(yè)鉆井 數(shù)量多 因此比槽口式平臺具有更高的效率 不過 懸臂梁的載荷受強度的限制比較大 懸臂梁結構大體上分為三個區(qū)域 鉆臺區(qū) 鋪管甲板區(qū)和中間區(qū) 懸臂梁結構按照 其腹板形式可分為兩種 一種為單腹板結構形式 如南海4 號和9 4 1 鉆井平臺的懸臂梁 如圖1 2 還有一種為雙腹板結構形式 如三角懸臂輕型自升鉆井平臺的懸臂梁 其典 型橫剖面如圖1 3 i 圖1 2 南4 平臺懸臂梁典型橫剖面圖 f i g 1 2t h e b o d y p l a n o f t h ec a n t i l e v e r o f n h 4 圖1 3 三角懸臂輕型自升鉆井平臺的懸臂粱 f i g 1 3t h e b o d y p l a no f t h ec a n t i l e v e r o f s a n j i a o 大連理工大學碩士學位論文 1 4 本文研究工作及主要內容 本文通過對自升式平臺懸臂梁設計工具的研究 建立了懸臂梁的參數(shù)化設計模型及 繪圖程序 主要研究內容分為三部分 1 懸臂梁參數(shù)化有限元分析 是設計工具的主要組成部分 該部分研究分析了懸 臂梁的主要組成部分和結構 利用a n s y s 的二次開發(fā)語言a p d l 建立了懸臂梁參數(shù)化 的建模 加載 求解 后處理報告生成等一系列過程 2 基于a u t o c a d 二次開發(fā)的懸臂梁參數(shù)化繪圖 是懸臂梁設計工具的重要組成部 分 由于懸臂梁在設計過程中 其尺寸受到許多因素的影響而不斷改變 如果用手工繪 圖 其工作量是巨大而繁瑣的 這就決定了參數(shù)化繪圖的必要性 3 懸臂梁設計工具的實現(xiàn) 在懸臂梁設計過程中 設計者不僅需要盡快看到懸臂 梁的設計圖紙 還需要盡快知道目前這個方案的有限元分析的結果 以便設計者盡快做 出決策 這就需要將有限元分析和繪圖能夠實現(xiàn)一體化運行 使設計工作的功能更加齊 全 自升式平臺懸臂梁設計工具研究 2 a n s y s 軟件及分析步驟 2 1 a n s y s 軟件介紹 a n s y s 是用于計算機輔助工程的有限元分析程序 該程序是一個功能強大靈活的 設計分析及優(yōu)化軟件包 它可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)上運行 它的文件可在其所有 的產(chǎn)品系列和工作平臺上兼容 在p c 機上生成的模型同樣可運行于巨型機上 a n s y s 有近三十年的發(fā)展歷史 經(jīng)過多年的發(fā)展 目前已有許多國際化大公司以 a n s y s 軟件作為其標準 a n s y s 的用戶包括未來雜志 g l o b a l l 0 0 中排名前十位的工 業(yè)公司 a n s y s 程序一直在不斷地進行發(fā)展 其逐漸增加的功能具體如下 結構高度 非線性分析 電磁分析 計算流體動力學分析 設計優(yōu)化 接觸分析 自適應網(wǎng)格劃分 大應變和有限轉動功能以及利用a n s y s 參數(shù)設計語言 a p d l 的擴展宏命令功能 其菜 單系統(tǒng)使用戶能夠通過對話框 下拉式菜單和子菜單進行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇 為用戶 使用a n s y s 提供了導航 實體建模特性包括基于n u r b s 的幾何表示法 幾何體素及 布爾運算 a n s y s 可浮動運行于從p c 機 n t 工作站 u n i x 工作站直至巨型機的各類計算 機及操作系統(tǒng)中 數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺均兼容 其多物理耦合的功 能 允許在同一模型上進行各式各樣的耦合計算 如 熱 結構耦合 磁 結構耦合以及 電 磁 流體 熱耦合等 在p c 機上生成的模型同樣可運行于巨型機上 這樣就保證了所 有的a n s y s 用戶的多領域多變工程問題的求解 a n s y s 軟件能與大多數(shù)c a d 軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換 利用a n s y s 的數(shù)據(jù)接口 可精確地將在c a d 系統(tǒng)下生成的幾何數(shù)據(jù)傳如a n s y s 如p r o e n g l n e e r n a s t r a n i d e a s 和a u t o c a d 等 并通過必要的修補可準確地在該模型上劃分網(wǎng)格并求解 這樣 可以節(jié)省用戶在創(chuàng)建模型過程中所花費的大量時間 極大地提高工作效率 2 2a n s y s 分析步驟 a n s y s 軟件叫含有多種有限元分析的能力 包括從堅定線性靜態(tài)分析到復雜非線性 動態(tài)分析 一個動態(tài)的a n s y s 分析過程可分為以下三個步驟 1 創(chuàng)建有限元模型 2 施加載荷進行求解 3 查看分析結果 大連理工大學碩士學位論文 a n s y s 軟件的強大與其有著很多的模塊應用有很大的關系 其模塊化結果如圖2 1 所示 圖2 1a n s y s 程序的模塊化結構 f i g 2 1 t h em o d u l a r i z e ds t r u c t u r eo f a n s y s 2 2 1 前處理模塊 a n s y s 軟件的前處理模塊主要實現(xiàn)三種功能 參數(shù)定義 實體建模和網(wǎng)格劃分 1 參數(shù)定義 a n s y s 程序在進行結構建模的過程中 首先要對所有被建模型的材料進行參數(shù)定 義 包括定義使用單位制 定義所使用單元的類型 定義單元的實常數(shù) 定義材料的特 性以及使用材料庫文件等 在單位制的指定中 a n s y s 并沒有為分析指定固定的系統(tǒng)單位 除了磁場分析外 可以使用任意一種單位制 只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一單位制里的單位即 可 單元類型的定義是結構進行網(wǎng)格劃分的必要前提 a n s y s 程序根據(jù)所定義的單元 類型進行實際的網(wǎng)格劃分 而單元實常數(shù)的確定也依賴于單元類型的特性 材料的特性是針對每一種材料的性質參數(shù) 例如在對材料進行線性分析的過程中 首先要知道這種材料的彈性模量和泊松比 在一個分析過程中 可能有多個材料特性組 自升式平臺懸臂梁設計工具研究 每一組材料特性有一個材料參考號 a n s y s 通過獨特的參考號碼來識別每一個材料特 性組 對于每一有限單元分析 盡管可以分別定義材料特性 a n s y s 程序允許用戶將一 材料特性設置存儲進一個檔案材料庫文件 然后 在多個分析中取出該設置重復使用 這樣可以大大提高工作效率 2 實體建模 在實體建模過程中 a n s y s 程序提供了兩種方法 從高級到低級的建模與低級到 高級的建模 對于一個有限元模型 圖元的登記從低到高分別是 點 線 面和體 a n s y s 程 序提供了很多高級圖元的建立 如球體 圓柱等 當用戶直徑構建高級圖元時 程序則 自動定義相關的低級圖元 面 線和關鍵點 此外 用戶也可以先定義點 線 面 然 后由所定義的圖元生成體 無論用戶采用哪種方式建模 都需要進行布爾操作來組合結 構數(shù)據(jù) 以構建用戶想要得到的模型 例如加運算 減運算 相交 刪除 重疊和粘貼 等 3 網(wǎng)格劃分 a n s y s 系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能十分強大 使用起來十分便捷 從使用選擇的角度來 講 程序的網(wǎng)格劃分系統(tǒng)可以分為系統(tǒng)智能劃分和仍選擇劃分兩種 從網(wǎng)格劃分的功能 來講 則包括四種劃分方式 延伸劃分 映像劃分 自由劃分和自適應劃分 延伸劃分 是將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格單元 映像網(wǎng)格劃分則是將一個幾何模型分解成 為幾部分 然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格空值 分布加以劃分生成映像網(wǎng)格 a n s y s 程序提供了六面體 四面體和三角形的映像網(wǎng)格劃分 自由劃分是由a n s y s 程序的網(wǎng) 格自由劃分器來實現(xiàn)的 通過這種劃分可以避免不同組件在裝配過程中網(wǎng)格不匹配帶來 的問題 自適應網(wǎng)格劃分是在產(chǎn)生了具有了邊界條件的實體模型以后 用戶指示程序自 動產(chǎn)生有限元網(wǎng)格 分析 估計網(wǎng)格的離散誤差 然后重新定義網(wǎng)格大小 再次分析計 算 估計網(wǎng)格的離散誤差 直至誤差低于用戶定義的值或者達到用戶定義的求解次數(shù) 2 2 2 求解模塊 求解模塊是程序用來完成對已經(jīng)生成的有限元模型進行力學分析和有限元求解的 在此階段 用戶可以定義分析類型 分析選項 載荷數(shù)據(jù)和載荷布選項 1 定義分析類型和分析選項 用戶可以根據(jù)所施加載荷條件和所要計算的響應來選擇分析類型 例如 要計算固 有頻率和模態(tài) 就必須選擇模態(tài)分析 在a n s y s 程序中 可以進行下列類型的分析 大連理工大學碩士學位論文 靜態(tài) 或穩(wěn)態(tài) 瞬態(tài) 調諧 模態(tài) 譜 撓度和子機構 另外 有一點要說明的是 并 不是所有分析類型對所有的學科都有效 例如 模態(tài)分析對于熱力模型無效 分析選項允許用戶自定義分析類型 典型的分析選項是求解的方法 應力硬化的打 開和關閉以及n e w t o n r a p h s o n 選擇 2 載荷 一般所謂的載荷應該包括邊界條件 約束 支承或邊界條件場的參數(shù) 和其他外部或 內部作用載荷 在a n s y s 程序中 載荷分為六類 d o f 約束 力 表面分布載荷 體積載荷 慣性載荷 耦合場載荷 另外 還要注意與載荷相關的兩個重要術語 載荷步和子步 載荷步僅僅指可求得 解的載荷配置 例如 在結構分析中 可以將風載荷施加于第一個載荷步 第二個載荷 步施加重力等 載荷步對于將一個瞬態(tài)載荷歷程曲線劃分成幾段也是有用的 子步是指 一個載荷步中增加的步長 主要是為了瞬態(tài)分析或非線性分析中提高分析精度和收斂 子步也稱時間步 代表一段時間 3 指定載荷步 載荷步選項是用于更改載荷步的選項 如子步數(shù) 載荷步的結束時間和輸出控制 根據(jù)所作分析的選項 載荷步選項可有可無 a n s y s 提供的分析類型如下幾種 結構靜力分析 用來求解外載荷引起的位移 應力和力 靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的 影響并不顯著的問題 a n s y s 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析 而且可以進 行非線性分析 例如塑性 蠕變 膨脹 大變形及接觸問題的分析 結構動力分析 結構動力分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響 相對于靜力分析 動力分析要考慮載荷隨時間的變化以及阻尼和慣性影響 如旋轉機械產(chǎn)生的交變力 爆 炸產(chǎn)生的沖擊力 地震產(chǎn)生的隨機力等 a n s y s 可以進行的結構動力分析類型有 瞬 態(tài)動力分析 模態(tài)分析 譜響應分析以及隨即振動響應分析 結構屈曲分析 自升式平臺懸臂粱設計工具研究 屈曲分析是用來確定結構失穩(wěn)的載荷大小與在特定的載荷下結構是否失穩(wěn)的問題 a n s y s 中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種 結構非線性分析 結構的非線性問題分為材料非線性 幾何非線性和單元非線性三種 在a n s y s 程 序中 可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)的非線性問題 熱力學分析 熱力學分析主要包含三種類型 傳導 對流和輻射 a n s y s 程序對熱力學問題可 以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài) 線性和非線性分析 熱力學分析還可以進行模擬材料的固化和熔解 過程的分析 以及模擬熱與結構應力之間的關系的耦合問題的分析 電磁場分析 電磁場分析主要可以完成以下幾類問題的分析 二維 三維靜態(tài)電磁場的分析 二 維 三維隨時間變化的低頻電磁場的分析 三維高頻電磁場的分析 以解決電磁場的相 關問題 如電容 電桿 渦流 電磁場分布 運動效應等問題 主要應用于發(fā)動機 變 壓器 加速器 調制器等在電磁場作用下工作設備的設計和分析問題 聲場分析 聲學分析主要是用來研究在流體 氣體 流體等 介質中聲音的傳播問題 以及在流 體介質中固態(tài)結構的動態(tài)響應特性 壓電分析 壓電分析主要可以進行靜態(tài)分析 模態(tài)分析 瞬態(tài)分析和諧波響應分析 可用來研 究壓電材料結構在隨時間變化的電流或機械載荷響應特性 主要適用于諧振器 振蕩器 以及其他電子材料的結構動態(tài)分析 流體動力分析 a n s y s 程序中的流體動力分析功能用來分析二維 三維流體動力場的問題 可以 進行傳熱或絕熱 層流或湍流 壓縮或不可壓縮等問題的研究 主要用于超音速噴管中 的流程 使用混合流研究估計熱沖擊的可能性 彎管中流體的三維流動 以及管路系統(tǒng) 中熱的層化和分離問題的設計和研究工作 2 2 3 后處理模塊 p o s t l 和p o s t 2 6 a n s y s 程序的后處理過程緊接在前處理和求解過程之后 它可以通過友好的用戶 界面 很容易地獲得求解過程的計算結果并對這些結果進行運算 例如 這些結果可能 包括位移 溫度 應力 應變 速度及熱流等 輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種 交互式后處理過程中 圖形可聯(lián)機輸出到顯示設備上 也可以脫機輸出到繪圖儀上 由 大連理工大學碩士學位論文 于后處理階段完全同a n s y s 前處理和求解階段集成在一起 故求解結果已存于數(shù)據(jù)庫 且能立即查看 當完成計算以后 可以通過后處理器查看結果 a n s y s 程序的后處理包含兩個部 分 通用后處理模塊 p o s t l 和時間歷程后處理模塊 p o s t 2 6 通過程序的菜單操作 可以很方便地獲得求解的計算結果 結構文件的輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表顯示兩 種 1 通用后處理模塊 p o s t l l 通用后處理器可以用于查看整個模塊或選定的部分模塊在某一子步 時間步 的結 果 可以獲得等值線顯示 變形形狀以及檢查和解釋分析的結果和列表 p o s t l 也提供 了很多其他的功能 包括誤差估計 載荷工況組合 結果數(shù)據(jù)的計算和路徑操作等 通 過單擊主菜單中的g e n e r a lp o s t p r o c 可以直接進入到通用后處理模塊 2 時間歷程后處理模塊 p o s t 2 6 p o s t 2 6 為時間歷程后處理模塊 可用于查看模型的特定點在所有時間步內的結果 可獲得結果數(shù)據(jù)對時間 或頻率 的關系的圖形曲線以及列表 如繪制位移 時間列表 應 力 應變曲線等 另外 p o s t 2 6 還具有其他的功能 可以進行曲線的代數(shù)運算 變量之 間可以進行加 減 乘 除運算以產(chǎn)生新的曲線 也可以取絕對值 平方根 指數(shù) 對 數(shù) 以及求最大和最小值等 并且也可以求出曲線的微積分運算 還能夠從時間歷程結 果中生成譜響應 在求解階段 分析結果寫入a n s l 姻數(shù)據(jù)庫及結果文件 單個子步的結果作為數(shù)據(jù) 集存貯 每個數(shù)據(jù)集可用的數(shù)據(jù)量和類型由所完成的分析類型及求解階段設置的選項來 控制 對于某個分析的每一載荷步 用戶可指定每個子步 最終子步 或最終子步和中 間子步的組合寫數(shù)據(jù)集 用戶同樣可以選擇寫什么范圍的數(shù)據(jù)組 如位移 應力及反作 用力 2 3 參數(shù)化設計語言 a p d l 2 3 i 什么是a p d l a n s y s 參數(shù)化設計語言 a n s y sp a r a m e t e rd e s i g nl a n g u a g e a p d l 是一門可 用來自動完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言 用 建立智能化分析的手段為用戶提供自動完成有限元分析過程 即程序的輸入可設定為根 據(jù)指定的函數(shù) 變量以及選用的分析類型來做決定 是完成優(yōu)化設計和自適應網(wǎng)格的最 主要的基礎 a p d l 允許復雜的數(shù)據(jù)輸入 使用戶實際上對任何設計或分析屬性有控制 權 如分析模型的尺寸 材料的性能 載荷 邊界條件施加的位置和網(wǎng)格的密度等 a p d l 自升式平臺懸臂粱設計工具研究 擴展了傳統(tǒng)有限元分析的范圍 并擴展了更高級運算包括靈敏度研究 零件庫參數(shù)化建 模 設計修改和設計優(yōu)化等 a p d l 具有下列功能 對這些功能用戶可根據(jù)需要進行組合使用或單獨使用 標量參數(shù) 數(shù)組參數(shù) 表達式和函數(shù) 分支和循環(huán) 重復功能和縮寫 宏 用戶程序 所有這些全局控制特性 允許用戶按需要改變該程序以滿足特定的建模和分析需 要 通過精心計劃 用戶能夠創(chuàng)建一個高度完善的分析方案 它能在特定的應用范圍內 使程序發(fā)揮更大的效率 2 3 2 a p d l 的特點 a n s y s 軟件提供了兩種工作模式 即人機交互方式 o u i 方式 和命令流輸入方式 b a t c h 方式1 前者對于初學者特別是己經(jīng)習慣使用w i n d o w s 操作界面的廣大用戶來說 似乎要 容易掌握一些 用戶不需要記住編程語言的使用規(guī)則與命令的使用格式等 只要用鼠標 在圖形上進行操作即可 對于一個簡單的有限元分析模型來說 這也許是要來得更快一 些 但對于一個復雜的有限元模型 使用g u i 方式的缺點就會顯露出來 由于一個分析 的完成往往需要進行多次的反復 特別是當要對模型進行修改后再進行分析時 在g u i 方式中就會出現(xiàn)大量的重復操作 這些重復工作有時會占有大量的計算時間 簡單而繁 雜的重復工作有時甚至會影響到設計人員的心情 從而造成模型分析質量的下降 另外 使用前者往往會生成大量的文件 對于一個較大的分析模型 其生成的數(shù)據(jù)文件也許是 幾兆字節(jié) 有時會是幾十兆字節(jié) 甚至達到幾百兆字節(jié) 這么大的數(shù)據(jù)文件在交流時 是非常不方便的 而對于后者來說 它具有下列優(yōu)點 1 可以減少大量的重復工作 特別適用于經(jīng)少許修改 如修改網(wǎng)格的密度 后需要 多次重復的場合 可為設計人員節(jié)省大量的時間 以利于設計人員有更多的精力來從事 產(chǎn)品的構思 大連理工大學碩士學位論文 2 便于保存和攜帶 一個a p d l 的a s c i i 文件一般只有幾十千字節(jié) 最多也只有 幾百千字節(jié) 其數(shù)據(jù)文件的容量僅為g u i 數(shù)據(jù)文件的干分之一 無論是在網(wǎng)上或平常的 交流都很方便 3 不受a n s y s 軟件的系統(tǒng)操作平臺的限制 即用戶使用a p d l 文件既可以在 w i n d o w s 平臺進行交流 也可以在u n i x 或其它的操作平臺上運行 而用g u i 方式生 成的數(shù)據(jù)文件則不能直接交流 4 不受a n s y s 軟件的版本的限制 一般情況下 a n s y s