基于ANSYS的自升式平台计算模型分析

， ， ，

(天津大学 建筑工程学院，天津 300350)

基于ANSYS的自升式平台计算模型分析

陶旭，黄小伟，韩文秀，杨树耕

(天津大学建筑工程学院，天津300350)

建立某插桩自升式平台空间框架、空间薄壁及三维仿真3种计算模型，在风暴自存工况下对3种模型进行静力分析并比较各模型间结构计算结果的差异，阐明3计算模型的利弊及适用性，为工程中自升式平台计算模型的建立提供建议。

自升式平台；计算模型；ANSYS

0 引 言

作为典型的海洋工程结构物，自升式平台结构复杂、工作环境恶劣，在平台结构分析中，建立合理的整体结构计算模型是一项重要工作，该计算模型须反映目标分析结构的真实几何尺寸及相邻构件间的连接，还须较真实地模拟结构所承受的载荷大小与分布等。

在自升式平台整体结构分析方面，国内外已取得一些研究成果。任贵永[1]提出建立空间框架模型和空间薄壁模型；杨树耕等[2]提出采用ANSYS进行海洋工程结构的有限元分析；李茜等[3]采用空间框架模型在ANSYS中建立某海上自升式平台，分析研究其动力特性；彭程[4]采用三维仿真有限元模型在ANSYS中对某自升式平台进行疲劳性能研究；梁光辉[5]利用ANSYS建立平台整体结构三维有限元模型，并针对平台结构真实的使用状况建立平台的模型数据库，完成几种不同工况下整体有限元模型的结构计算；黄小伟[6]运用ANSYS建立自升式平台的不同计算模型，并对各模型的计算结果进行比较与分析。滕晓青等[7]采用三维空间板壳模型在SESAM中对沉垫式自升式平台拖航状态进行强度分析；陆浩华[8]在ANSYS中建立某海上打桩平台的三维有限元模型，并在极端环境下对平台结构进行动力响应分析；杨东亚[9]在SESAM中建立改造平台的三维仿真模型，并对其进行强度分析；李春梅[10]利用有限元软件ANSYS建立自升式平台与土体的整体有限元模型；许津豪[11]采用SACS软件建立自升式平台三维有限元模型，进行桩腿动力响应及疲劳分析研究；王钰涵等[12]应用有限元软件MSC.Patran/Nastran建立平台主船体三维有限元模型并进行强度计算。

在工程计算中，计算模型的选取一般取决于对分析结构的计算需求。通常不同计算模型的计算结果会因模型模拟实际结构的方式及施加载荷方式的不同而有所不同。本文在此研究背景上，采用大型有限元软件ANSYS建立某插桩自升式平台的空间框架、空间薄壁及三维仿真等3种计算模型，分析比较不同计算模型计算结果的差异，总结不同计算模型各自的适用性，为在工程计算中合理地选取计算模型提供建议。

1 平台有限元模型建立

1.1 平台主要设计参数

目标平台为钢质自升式非自航钻井平台，尾端开口，工作水深为8.5～40.0 m。平台主要由方型船体结构，4条圆柱型壳体桩腿结构，固桩架结构及电动液压式升降机构等几部分组成，其主要设计参数见表1。

表1 平台主要设计参数 m

1.2 建立平台有限元模型

1.2.1 空间框架模型(模型1)

4条桩腿插桩自升式平台，一般用加强的箱形主桁连接2个相邻的桩腿。箱形主桁作为船体的一部分，不仅是连接桩腿围阱的强力构件，也是船体在平台升起时的主要架构[1]。一般在箱形主桁范围内或靠近箱形主桁布置船体大部分装载重量[1]。箱形主桁位置及典型主桁剖面如图1所示。

图1 箱型主桁

空间框架计算模型将船体简化为4个相互垂直的箱型主桁(箱形梁)，采用线单元进行模拟，其轴线选在船体型深1/2处。桩腿采用线单元模拟，船体与桩腿之间假定为刚性连接[1]。运用该计算模型模拟自升式平台整体结构时共定义了3种单元类型：Beam 4单元、Pipe 59单元及Pipe 16单元。其中，Beam 4单元用于模拟船体箱形主桁结构；Pipe 59单元和Pipe 16单元用于模拟平台桩腿结构。在定义Beam 4单元时，需要计算箱形主桁的截面积、惯性矩Iyy和Izz，在计算时需综合考虑板厚与梁截面的变化进行分段计算；当采用Pipe 59单元模拟平台桩腿结构时，坐标原点必须位于水面。空间框架模型(模型1)的整体有限元模型如图2所示。

图2 模型1整体有限元模型

1.2.2 空间薄壁模型(模型2)

空间薄壁模型在建立平台船体结构时不建出船体板上所附梁，而是把板上所附的骨材按其截面积及分布宽度折算为相当厚度加入板厚中[6]。

在该计算模型中，由于将船体各板所附梁等效，因此在船体结构的计算模型中只有壳单元。桩腿结构同空间框架模型采用线单元Pipe 59和Pipe 16单元模拟。此外，实际结构中围阱区的辐射板在模型中也不建出，而是等效成相当厚度加到围阱区四周板上。由于桩腿结构采用线单元进行模拟，需将与辐射板相连的围阱区各层甲板建成封闭板，并设置其弹性模量为较大值。

对于桩腿与船体的连接，考虑耦合x、y方向的自由度。另外，由于模型中没有建立固桩架，建模时采用耦合船体与固桩架的连接点和桩腿与固桩架的连接点x，y，z向的自由度模拟固桩架的作用。该计算模型的整体有限元模型如图3所示。图4为该模型部分细节图。

图3 模型2整体有限元模型 图4 桩腿与船体的连接及固桩架

1.2.3 三维仿真模型(模型3)

三维仿真模型相比于空间框架模型和空间薄壁模型能够更真实地模拟平台的实际结构。在此模型中，船体结构板材均采用Shell 63单元模拟，骨材和桁材均采用Beam 188单元模拟。该计算模型的整体有限元模型如图5所示。为了更真实地表现平台实际结构，该模型也对船体尾部的井架滑道、管子堆放架以及固桩架结构进行模拟。

图5 模型3整体有限元模型

对于井架滑道及管子堆放架，采用Beam 188单元在船体对应位置按实际尺寸和距离建立，并全自由度耦合这些单元节点与船体对应位置节点。固桩架结构采用箱型梁进行模拟，如图6所示。为了建立固桩架结构与桩腿结构之间力的联系，将固桩环上对应销孔的节点与桩腿上对应销孔位置的节点进行x,y,z3个平动自由度耦合,固桩环上其它节点与桩腿相应位置节点进行x,y方向自由度耦合。固桩架与船体、桩腿的耦合如图7所示。

图6 固桩架有限元模型 图7 固桩架与船体、桩腿的耦合

图8 桩腿结构有限元模型

平台桩腿结构及其内部环筋结构采用Shell 63单元进行模拟，如图8所示。同时为了计算波浪及海流作用，在模型中每个桩腿中心建立直线，并将泥面以上直线采用Pipe 59单元进行网络划分，泥面以下直线采用Pipe 16单元进行网络划分(在定义材料属性时设置弹性模量、密度为极小值)，并耦合Shell 63单元迎波浪方向的节点与Pipe 59单元相应节点的x,y,z3个平动自由度。对于桩腿与船体的连接，与空间薄壁模型相同，考虑耦合x，y方向的自由度。

图9 模型4整体有限元模型

2 平台风暴自存状态有限元分析

风暴自存是自升式平台着底状态的危险工况，工作环境十分恶劣，进行该状态下平台的强度分析是确保平台结构安全的基础[13]。风暴自存状态下平台所受载荷需考虑极限环境载荷，固定载荷及自存状态最大活载荷的组合。

2.1 载荷的大小

(1) 极限环境载荷：转换到船体型深一半处风载荷的风力为2 096.51 kN，风力矩为18 092.96 kN·m；通过定义water-table进行波浪入射方向与波浪相位角搜索，确定极限风暴环境载荷方向。在本文的计算中确定载荷的入射方向为90°,波浪相位角为45°。

(2) 固定载荷：空船质量(不包括桩腿)为4 843.16 t，其中固定设备质量为1 900.14 t；桩腿的质量为1 272.49 t。

(3) 自存状态最大活载荷为999.90 t，包括：固体可变载荷为199.02 t；液体可变载荷为610.82 t；压载载荷为190.06 t。

2.2 不同计算模型载荷的施加

2.2.1 空间框架模型(模型1)载荷的施加

应用空间框架模型模拟目标平台，模型中船体质量为887.94 t，桩腿质量为825.58 t。施加载荷时，以分布力的形式将固定设备质量1 900.14 t(包括主甲板设备质量1 404.83 t和机械甲板设备质量495.31 t)和可变载荷999.90 t共计2 900.04 t施加在模拟箱型主桁的Beam 4单元上；以附加质量的形式将扣除桩腿后的空船实际质量4 843.16 t与模型中船体质量887.94 t、固定设备质量1 900.14 t的差值平均分布到Beam 4单元上；以节点力的形式将桩腿的实际质量1 272.49 t与模型质量825.58 t的差值平均分布到桩腿各节点上。

对于环境载荷，迎风线单元上施加分布力形式的风力，单元节点上施加弯矩形式的风力矩；利用Pipe 59单元，通过定义water-table由程序按Morison公式自动计算，并施加波流载荷。

2.2.2 空间薄壁模型(模型2)载荷的施加

综上，使用“驴”字作为名字者，既有朝廷大员，也有普通百姓;既有谋反者，也有道德楷模;既有蒙古人，也有汉人或其他民族;既有少年人，也有成年人。所以，《窦娥冤》中的张驴儿虽然道德败坏、罪大恶极，但他的名字本身并没有侮辱性的含义，在蒙元时期只是一个带有蒙古文化色彩的普通称谓。

应用空间薄壁模型模拟目标平台，模型中船体质量为1 266.28 t，桩腿质量为825.58 t。施加载荷时，以点、线或面载荷的形式将固定设备质量1 900.14 t及可变载荷999.90 t施加到载荷实际作用位置所对应的单元上；以附加质量的形式将扣除桩腿后的空船实际质量4 843.16 t与模型中船体质量1 266.28 t、固定设备质量1 900.14 t的差值平均分布到主桁区对应的主甲板和底板上；以节点力的形式将桩腿的实际质量1 272.49 t与模型质量825.58 t的差值平均施加于桩腿各节点。

对于环境载荷，迎风舷侧施加分布力形式的风力，舷侧上、下端节点施加力偶形式的风力矩，波流载荷的施加与空间框架模型相同。

2.2.3 三维仿真模型(模型3)载荷的施加

应用三维仿真模型模拟目标平台，模型中船体质量为1 332.13 t，桩腿质量为922.38 t。施加载荷时，固定设备质量、可变载荷同空间薄壁模型；以附加质量形式将扣除桩腿后的空船实际质量4 843.16 t与模型中船体质量1 332.13t、固定设备质量1 900.14 t的差值平均施加于箱型主桁主甲板及底板；以附加质量形式将桩腿的实际质量1 272.49 t与模型质量922.38 t的差值平均分布于桩腿上。

极限环境载荷的施加与空间薄壁模型相同。此外，对于模型4载荷的施加，船体载荷与三维仿真模型相同，桩腿载荷与空间薄壁模型相同。

2.3 约束的施加

根据CCS《海上移动平台入级与建造规范》的规定，对自升式平台进行强度计算时要在海底泥面以下3 m处对平台桩腿施加铰支约束。对于模型1、模型2和模型4，施加铰支约束于Pipe 16单元泥面以下3 m处。对于三维仿真模型，耦合泥面以下3 m处Shell 63单元一圈节点与此处Pipe 16单元节点，再将铰支约束施加于Pipe 16单元的节点上。

3 有限元计算结果分析

在风暴自存工况下对不同计算模型进行静力分析，各模型桩腿结构和船体结构的最大位移、最大应力及最大应力出现的位置见表2和表3。

表2 各模型桩腿计算结果

表3 各模型船体计算结果

3.1 不同模型桩腿计算结果比较分析

(1) 模型1、模型2与模型4

模型1、模型2及模型4中的桩腿结构均采用线单元模拟，由表2可以看出：模型4计算结果更接近平台实际结构，且数值最大。对于模型1和模型2，由于在船体结构简化方式、船体与桩腿连接方式及加载等方面均不相同，所以桩腿应力分布图也有差异。图10和图11分别为模型1和模型2桩腿应力云图。

图10 模型1桩腿应力图 图11 模型2桩腿应力图

模型2与模型4之间的主要区别为对船体结构和固桩架的模拟不同。经过分析可知，对固桩架模拟方式的不同是导致两模型计算结果产生差异的主要原因。在模型2中，固桩架的作用是通过耦合节点实现的，耦合的节点在受力计算时具有相同线位移。这种模拟方式相当于将固桩架模拟为大刚度构件，不合实际。2种模型固桩架对应的一段桩腿的侧向位移如图12和图13所示。

图12 模型2桩腿位移图 图13 模型4桩腿位移图

图14 桩腿约束方程图

(2) 模型3与模型4

模型3与模型4的差别只在于对桩腿结构模拟方式不同，模型3采用壳单元模拟，模型4采用线单元模拟。由表2可以看出：两模型桩腿结构的最大位移有较大差别。经分析可知，两模型施加约束方式的不同是导致计算结果产生较大差异的主要原因。采用模型3桩腿底部的耦合方法，施加铰支约束于中心Pipe节点，Shell上所有节点也施加了铰支约束，相当于把底部进行了固支，这与规范要求的施加铰支约束不符。为解决模型3约束施加的问题，本文提出建立约束方程和建立刚性板2种解决方法。

方法一：约束方程定义节点自由度间的线性关系。对模型3桩腿底部施加铰支约束可以通过建立约束方程实现。图14为桩腿的约束方程图，约束方程为

式中：Ux1，Ux2，Ux3，Ux4为x方向的线位移；Uz1，Uz2，Uz3，Uz4为z方向的线位移。

方法二：在桩腿泥面以下3 m处建立封住桩腿且刚度较大的圆面，并建立硬点于圆面中心处，在形成有限元单元后，在硬点处强制生成节点，并施加铰支约束。本文在计算中取板厚为0.05 m，弹性模量为2×1010MPa。所建立的圆面并没有实际意义，提取结果时应排除。

利用建立约束方程及刚性板的方法,本文分别对模型3的约束进行修正，修正后的模型3桩腿计算结果见表4。

表4 模型3约束修正后桩腿计算结果与模型4比较

由表4可以看出：模型3约束修正后桩腿最大位移与模型4差别不大，说明2种约束修正方法是有效可行的，在计算模型中可以采用Shell 63单元建立桩腿结构，并利用Pipe 59单元计算波流载荷。

3.2 不同模型船体计算结果分析

图15 主桁轴向与弯曲应力组合图

3.2.1 模型1

模型1用4个相互垂直的箱型主桁代替整个船体结构。箱型主桁最大轴向与弯曲应力如图15所示，可以看出：采用线单元模拟的主桁呈“井”字形，由于在模型1中Beam 4线单元受力平均，所以部分线单元出现弯矩为0的情况，加上所受轴向力很小，所以4个主桁都分别出现了组合应力比较小的舱段。

3.2.2 模型2

图16为模型2船体的垂向位移图，图17为模型2 Von Mises应力图，可以看出：船体位移及应力计算结果均较大。经分析，计算结果失真的主要原因是：空间薄壁模型采用的结构简化方法，虽然结构钢材的重量及结构体积变化不大，但是会大大降低结构刚度。因此，若要对船体结构进行强度分析，采用这种计算模型是不适合的。

图16 模型二船体位移图 图17 模型二船体应力图

本文对模型2作进一步改进，使修改后的模型中船体只作为传力结构，完成对桩腿结构的强度分析。具体做法是：不定义船体结构的材料密度，不在对应单元上施加扣除桩腿后的空船质量及可变载荷，而是将载荷根据其重心位置分配到围阱区刚度较大的甲板上；风载荷不再施加于迎风方向的舷侧上，而施加于迎风舷侧与横舱壁相交的节点上。

3.3.2 模型3

模型3对平台的板梁组合结构、主要构件及各构件的连接关系均进行了真实的模拟。在施加载荷时，也是按照载荷的实际大小与分布，将载荷施加到对应的单元上。整个船体结构受力情况应更接近实际船体结构受力情况。除此之外，由于模型3建模较精细，还可以从中取出局部结构进行受力分析。

4 结 论

本文运用大型有限元软件ANSYS对某插桩自升式平台建立了空间框架、空间薄壁和三维仿真等3种计算模型，并对这3种模型在风暴自存工况下进行静力分析。比较各计算模型间桩腿结构及船体结构计算结果的差异，可以发现：

(1) 空间框架模型虽然建模简单、方便计算、省时省力，但是其计算结果与真实模型的计算结果相比有较大差异，在实际工程计算中不建议选取此模型，但可应用于其他方面研究。

(2) 对于空间薄壁模型，由于其简化方式使原先船体板架结构刚度大为降低，所以不适用于对船体结构强度的分析，但通过修改材料属性及载荷施加方式使船体作为传力结构的改进模型可用于对桩腿等结构进行强度分析计算。

(3) 对于三维仿真模型，运用该计算模型不仅可以分析平台整体结构受力，还可以在此模型基础上建立局部模型进行受力分析，所以在实际工程计算中如果条件允许，建议采用该模型分析。

[ 1 ] 任贵永. 海洋活动式平台[M]. 天津: 天津大学出版社，1989.

[ 2 ] 杨树耕,孟昭瑛,任贵永. 有限元分析软件ANSYS在海洋工程中的应用[J]. 中国海洋平台,2000(02): 44-47.

[ 3 ] 李茜, 杨树耕. 采用ANSYS程序的自升式平台结构有限元动力分析[J]. 中国海洋平台, 2003, 18(04): 41-46.

[ 4 ] 彭程. 自升式平台动力响应及疲劳分析研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[ 5 ] 梁光辉. 自升式平台结构安全评估方法研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[ 6 ] 黄小伟. 自升式平台结构计算模型分析研究[D]. 天津: 天津大学, 2008.

[ 7 ] 滕晓青, 顾永宁. 沉垫型自升式平台拖航状态强度分析[J]. 上海交通大学学报, 2000, 34(12):1723-1727.

[ 8 ] 陆浩华. 自升式海洋平台结构动力响应分析[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2005.

[ 9 ] 杨东亚. 自升式平台改造的强度分析[J]. 船舶, 2006(02):26-29.

[10] 李春梅. 自升式平台桩腿桩靴结构安全识别模型研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012.

[11] 许津豪. 自升式平台桩腿动力响应及疲劳分析研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2014.

[12] 王钰涵, 王超. CJ46自升式钻井平台结构强度计算[J]. 船舶与海洋工程, 2016(1).

[13] 李润培. 海洋平台强度分析[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1992.

Jack-upStructureComputingModelBasedonANSYS

TAO Xu， HUANG Xiaowei , HAN Wenxiu, YANG Shugeng

(School of Civil Engineering， Tianjin University， Tianjin 300350，China)

Three different models of one jack-up platform, including space frame model, thin-walled space model and large-scale three-dimensional simulation model are established. The static analysis of every model in survival condition analysis are computed. Based on the results of comparison and analysis, the advantages， disadvantages, and applicability of every model are achieved. The results may have some reference value and provide guides for the overall structure analysis of jack-up platform in modeling.

jack-up platform； computing model； ANSYS

1001-4500(2017)06-0053-08

2016-06-16

陶 旭(1992-)，女，硕士研究生

P752

A