1、海洋导管架在复杂载荷作用下的动态响应摘要：研究了海洋导管架自由振动及复杂载荷作用下的动力学行为。利用 ANSYS 软件建立海洋导管架平台三维模型，针对海洋导管架的结构及载荷特点，将导管架结构离散成空间梁和板有限元单元结构，采用结构模态分析和瞬态完全法，编程计算了平台结构在波浪载荷及冰载荷作用下的动力相应，给出了其自振频率和谐响应，绘制了海洋导管架不同部位的变形随载荷参数变化的特性曲线。结果表明，由于海洋导管架所处工作环境特殊，对其进行静动态校核，甚至疲劳分析是非常必要的。 关键词：海洋导管架；自由振动；复杂载荷；谐响应分析；有限元法 中图分类号： O32 文献标识码： A 海洋平台是高出海面的
2、一种海洋工程结构，随着海洋石油资源的深入开发和利用，通常要在恶劣的海况条件下建造各种平台，以适应海上钻井采油作业的需要。海洋导管架结构的研究工作主要涉及了梁、板结构的静动态响应控制1 叫 。Huang W P 等对海洋平台的静动态分析进行了研究，给出了海洋平台与载荷间的静动态振动模型，并通过实验验证了理论结果的可靠性 。Housner 于 1947 年提出了符合海洋平台实际情况的随机振动法4，这是研究海洋平台动力学较早的方法。随机振动方法较充分地考虑了地震载荷、冰载荷发生的统计概率特性，是一种较为先进合理的分析工具。20 世纪 70 年代初期，Penzien 等人提出了一种随机方法用于分析近海
3、平台结构在波浪和强烈地震作用下的反应，并应用这一方法对简单的二维平台构进行了动力反应分析 。A L G A Coutinho 等在振型分解法基础上，提出了一种基于一组正交向量的坐标转换方法，对海洋平台的动力反应进行了计算 。C TChang 等采用直接积分方法，分析了动载荷作用下结构一水一基础非线性体系的反应 l7。日本的 Yamada 等分析了同时受到地震和波浪作用的导管架海洋平台的动力反应，重点考虑了地震反应分析时土一结构相互作用和非线性动水阻尼的影响 。H Karadenia 也进行了类似的研究，对波浪和地震载荷联合作用下海洋结构的运动进行了谱分析 。首先对波浪和地面运动进行了随机描述，
4、即波浪谱和地震的表示形式，然后对结构的水动力阻尼和附加质量及波浪和地震力在频谱内做了数学描述，最后得到系统的传递函数和运动响应。文献9中应用所发展的理论计算了地震载荷作用下海洋平台的振动响应，并对数值计算的结果进行了分析。根据笔者对文献的调研，在已有的关于海洋导管架结构的分析中，较少对此结构动态响应问题进行系统全面的分析。文中从自由振动、谐响应、复杂载荷(主要为波浪载荷和冰载荷)作用等方面分析了海洋导管架的动态响应。 1 导管架结构计算模型 采用的海洋导管架平台计算模型见图 1。导管架平台属于固定式平台，由上层平台结构和下部导管架结构组成，导管架底端基础固定。上层平台结构包括支撑框架和甲板，下
5、部导管架由钢管焊接而成，主体是 6 根主导管，其间细管为支撑件。整个结构关于 zOz、yOz 坐标对称，并假设整个结构处于弹性阶段。 2 导管架结构有限元模型 甲板主要提供生产和生活的场地，也是平台的主要承重构件，其外形为矩形。相对整体而言，甲板为薄壁结构，文中选用 SHELL63 单元把甲板离散为 4 节点壳单元。选用 PIPE16 单元把主导管和支撑杆离散为 2节点管单元，由于主导管起主要的支撑作用，所以需设置比支撑杆较大的截面参数。同时还需要设置质量单元 MASS21 来模拟甲板上生产所需设备的自重，把甲板上所有的重量均摊给顶部的 8 个节点。选用这 3 种单元类型能较好地模拟海洋导管架
6、平台在加载过程中的变形。根据建立的几何模型建立关键点，连接点形成线，连接线形成面，然后划分网格。划分网格时要注意对不同的构件赋予不同的单元属性和实常数。该例共3 类单元 4 类实常数，共计 278 个单元，228 个节点。 3 边界条件 在主导管下端面施加固定约束，中间节点(98、110)处施加波浪载荷和冰载荷，由此得到约束充分的有限元模型。假设材料为理想的弹塑性材料，采用 Block Lanczos 法提取模态，采用 FUI L 法进行谐响应及瞬态动力学分析。 4 导管架结构自由振动 对如图 1 所示的导管架结构进行模拟计算，结构高 60 m、宽 18 m，水深 80 m，主导管直径 15
7、m、壁厚 50 mm，支撑杆直径 760 mm、壁厚320 mill，整个平台质量为 24 t。考虑到振型的一致性，需对板单元与管单元施加耦合约束 。6 冰载荷作用下导管架结构的动力响应在冬天的渤海区域，冰厚有时达到 1 Ill，会对导管架结构产生很大的作用力。由于冰撞击导管架是在很短的时间内完成，因此具有明显的瞬时效应。实际的冰载荷有许多如位移。这类载荷短期破坏，但由于冰载荷的随机及重复作用 n 引，必要时还需考虑导管 架结构的疲劳强度口引。 结语 利用 ANSYS 软件分析了海洋导管架平台在波浪及冰载荷作用下的变形问题。针对文中算例模 型，由结构动力学理论分析和本文的数值分析结果可以得出： 由于结构的对称性，其相邻两阶的自振频率非常接近，因此在实际应用中应尽量采用对称结构，避免共振现象的发生 当外载荷的激振频率与结构的固有频率接近时会引起结构的共振现象，结构的位移响应最大。因此在设计导管架平台结构时应综合考虑结构的自振频率与海洋中复杂载荷之间的关系。冰载荷对导管架存在非常明显的冲击作用，在恶劣的海洋环境中不仅需要校核结构的静态效应，还应考虑结构疲劳的问题。 参考文献： 1 张振国海洋石油工业的现状和前景J海洋技术，1994，13(4)：7174 2 张耀光渤海海洋油气资源开发利用与前景展望 r-J海洋开发，2003，6：6-9
