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Truss Spar平台总体结构强度分析

发布于:2016-07-23 22:03
有限元分析

      随着深海石油开采技术蓬勃发展,性能出众的采油平台层出不穷。目前,世界范围内用于深水油气开采的浮式平台主要分为四类:半潜式平台(Semi-Submersible)、张力腿平台(TLP),Spar平台以及浮式生产储油系统FPSO。Truss Spar作为第二代Spar平台以其良好的运动性能和经济性能成为了深海采油的主力军。Truss Spar各自由度运动周期较大,远离波频范围,但二阶波浪力的激励频率与结构固有频率接近,所以系统会有较大运动响应。研究考虑了平台在多种环境载荷联合作用,以南海百年一遇环境载荷下的纵横摇为重点,在频域内进行了平台运动响应分析。以谱分析法确定的设计波参数,结合规范推荐的风、流荷载计算公式,以及运动响应分析输出的纵横摇位移、锚缆张力作为设计载荷,对平台结构强度进行有限元分析
      1 几何模型与平台尺寸
      Truss Spar主体结构分为四部分,由下至上分别为软舱、中段、硬舱和上部模块。软舱存放固定压载,降低平台重心。中段分为析架和垂荡板,析架在连接软舱和硬舱的同时由于其小投影而积降低了波浪及海流对平台的荷载,垂荡板提高系统附加质量和阻尼减小垂荡响应。硬舱是封闭式圆柱体,有方形中央井贯穿,分为多层舱结构,为主要的浮力来源。上部模块为安装采油设备、生活区、直升机甲板的重要生产模块。目标平台尺寸参数如表所示,坐标系位于软舱底部中心。
      2 运动响应分析
      2.1 环境载荷与锚泊系统参数
      根据南海百年一遇海况条件参数和JONSWAP波谱公式得到的波浪谱如图所示。
      研究的Truss Spar平台采用3组共9根系泊索组成的悬链线系泊系统,图为系泊系统布置图。每根系泊线由三段系泊索组成,各段的材料几何特性如表所示。
      2.2 水动力模型与运动方程
      通过ANSYS-AQWA对平台进行水动力计算和输出,采用AQ WA进行建模时,需根据平台构件尺寸大小来选择合适的单元类型。对于大尺度结构物为结构的特征长度,L为入射波长,如平台的下浮体和立柱,由于尺寸较大,其兴波辐射作用较为突出,故采用Panel单元进行建模,作用其上的水动力根据三维势流理论进行计算获得;而对于小尺度构件(D/L<0.2),如Truss Spar平台的析架结构,粘性力在其水动力中占较大成分,故采用Morison单元进行建模,作用其上的水动力采用Morison公式进行计算,最终得到平台主体及其系泊索的祸合计算模型如图所示。
      2.3 运动响应
      对Truss Spar平台在风、浪、流联合作用下的总体运动响应进行数值模拟,得到不同风浪流入射方向及不同重现期下平台的运动响应谱。由于平台运动在摇动方向产生的位移会使平台发生倾斜,平台所受对称的浮力分布将发生变化。而上部模块、软舱有较大的集中质量,硬舱中的质量分布也不均匀,使倾斜的结构内部承受较大的弯矩,致使结构产生较大应力响应。因此,以纵摇和横摇的响应为例分析平台运动响应。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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