CN102117363A - 浮式Spar平台的扶正分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮式Spar平台的扶正分析方法，其包括以下步骤：1)确定Spar平台的初始单元信息和参数；2)荷载计算和软舱单元质量的确定；3)将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；4)若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1)，重新进行计算；5)扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域；6)建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。

Description

浮式Spar平台的扶正分析方法

技术领域

本发明涉及海洋石油工程领域，特别是关于一种浮式Spar平台(立柱式平台)的扶正分析方法。

背景技术

随着全球资源的日趋紧张，石油的开采逐渐向深海发展。Spar平台作为一种新型浮式平台，适用于水深为550m至3000m，具有较高的稳定性、优良的运动特性、较大的可变载荷和较低的建造维修费用等优点，正被越来越多地应用于深海石油开采。但不同于其他海洋平台，Spar平台在其进行结构安装之前，要经历一个扶正过程。Spar平台主体拖航至海上安装点后，打开软舱门放入海水，整个主体会在力矩作用下由水平自行转为竖立。Spar平台扶正是一个结构大变位过程，是正常使用前的关键安装步骤，承受荷载与服役时完全不同，设计时需对此进行特别分析。

由于扶正过程大变位小变形的非线性特点，常用的水动力软件AQWA和SESAM等都无法实现扶正分析。国外少数学者曾提出过一些分析方法，但在实际使用中都存在一定的局限性；而国内，该领域仍是一片空白。Spar平台的安全扶正是正常服役的前提，该领域的空白给我国独立生产使用Spar平台提出了严峻的挑战，因此，Spar平台扶正分析方法的提出对完善我国Spar平台设计使用技术，实现中国南海战略具有重要的理论意义和现实意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种计算效率高且工程应用性强的浮式Spar平台的扶正分析方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种浮式Spar平台的扶正分析方法，其包括以下步骤：1)确定Spar平台的初始单元信息和参数：根据计算精度和划分原则，对Spar平台进行单元划分，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单元，得到基本单元信息和材料信息；根据结构尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，得到单元初始位移；根据实际工程情况确定固定压载、加载时间、阻尼系数和附加质量的大小；2)荷载计算和软舱单元质量的确定：根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受荷载；根据扶正过程中软舱压载的大小，确定软舱单元质量；3)有限元迭代计算：将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；4)判断：若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1)，重新进行计算；5)输出运动信息：扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域；6)运动信息荷载转化：建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。

每一单元承受荷载包括重力、阻尼力和静水压力：重力：对于每一单元来说，重力为均布荷载，采用有限元的等效荷载原则将重力加到每个节点上；阻尼力：将单元两端的节点质量乘以节点速度和阻尼系数，得到阻尼力；静水压力：在扶正过程中，各单元上的静水压力随着单元位置的变化而变化，需建立压力与坐标的变换关系，因此对Spar平台任一单元i的下部截面圆心角进行积分得：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_1=\mathrm{\ρgD}\·\left[\right|y(i,1)|+D/2\·(1-4/\mathrm{\π})-a/D\·\left(\right|y(i,1)|+(D-a)/2\·\cos \mathrm{\θ})]\\ p_2=\mathrm{\ρgD}\·\left[\right|y(i,1)|+D/2\·(1+4/\mathrm{\π})-a/D\·\left(\right|y(i,1)|+(D+a)/2\·\cos \mathrm{\θ})]\end{array}\right.$

式中，p₁、p₂为线性压载端点下部截面处的静水压力；ρ为海水密度；g为重力加速度；D为舱体直径；y(i，1)为单元i左节点上坐标；a为采油槽宽度；θ为结构转角；

然后将p₁和p₂根据有限元的等效荷载原则换算得单元i上的静水压力的等效节点荷载。

软舱单元质量由以下公式确定：

M_s＝m_s+F_s/g

式中，M_s为软舱单元质量；m_s为软舱结构质量；F_s为扶正过程中的软舱压载；

其中，扶正过程中的软舱压载F_s由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_s=F_{\mathrm{fix}}/t_{\mathrm{fix}}\·T& T\≤t_{\mathrm{fix}}\\ F_s=F_{\mathrm{fix}}& T>t_{\mathrm{fix}}\end{array}\right.$

式中，F_fix为工程中确定的软舱压载；t_fix为加载时间；T为扶正进行时间，初始定为0，随着扶正地进行自动增加。

建立载荷导入方法包括以下内容：

导入静水压力：在Spar平台底部中心处建立倾斜坐标系，使Spar平台在该坐标系下倾角正好为扶正过程中的倾角；在该坐标系下建立线性压载，使其斜率为海水密度乘以重力加速度，在海面处面压力为零；选出Spar平台低于海面的单元，对其施加所建立的线性压载，完成静水压力导入；

导入阻尼力：在Spar平台底部中心处建立随体坐标系，由程序导入坐标原点的水平速度v_x和竖向速度v_y，将其转化为以主体结构为轴的轴向速度v_cn和切向速度v_ct，在Spar平台转动速度ω以拟合求出的情况下，Spar平台任一点的阻尼力都表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{cn}}=-C\·V_{\mathrm{cn}}\\ F_{\mathrm{ct}}=-C\·(V_{\mathrm{ct}}-\mathrm{\ω}\·z)\end{array}\right.$

F_cn为轴向阻尼力，即随体坐标下的Z向；F_ct为切向阻尼力，即随体坐标下的X向；C为阻尼，等于质量乘以阻尼系数；z为随体坐标下的Z坐标值；选出Spar平台的所有单元，对每一单元按上式求出其阻尼力，然后平均加载在该单元的节点上即可；

导入惯性力：对于转动加速度，在确定转心在整体坐标系下的坐标后可直接导入ANSYS模型；对于平动加速度，先分解为整体坐标系下的X向和Z向，再导入。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用运动模拟和强度分析两步走的方法，有效地减小了运动模拟过程的计算量，提高了计算效率，增强了工程应用性。2、本发明基于向量式有限元编制的SPAR扶正模拟程序，可准确详尽地模拟任一SPAR平台的扶正过程，给出详细的扶正运动特征；同时，运动模拟结合ANSYS强度分析的扶正分析方法，对扶正过程的任一状态都可进行详尽的强度分析，可有效地评估整个扶正过程的结构安全性。

附图说明

图1是本发明方法的流程图

图2是本发明Spar平台的单元划分图

图3a、图3b是本发明某一单元的静水压力分布图

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明方法的具体实施过程。

如图1所示，本发明的浮式Spar平台扶正分析方法包括以下步骤：

1)初始单元信息和参数的确定：

①根据计算精度和效率要求，对Spar平台进行单元划分，由于管桁架的直径相对很小，故不考虑其静水压力的影响，可将其划分为一个单元。因此，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单元(如图2所示)，单元长度一般在10m左右。划分后得到基本单元信息和材料信息，基本单元信息包括单元质量、转动惯性矩、单元截面积和单元长度；

②根据Spar平台尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，经过简单转换后得到单元初始位移X₀；

③根据实际工程情况确定固定压载F_fix、加载时间t_fix、阻尼系数c和附加质量M_A的大小。

2)荷载计算和软舱单元质量的确定：

①根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受荷载，包括重力、阻尼力和静水压力，其中荷载、位移及质量间的耦合关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_g=m\·g\\ F_c=-c\·m_c\·v\\ P_{\mathrm{pre}}=\mathrm{\ρgh}\end{array}\right.$

式中，F_g为重力；m为Spar平台的质量；g为重力加速度；F_c为阻尼力；“-”表示阻尼力的方向和节点速度的方向相反；c为阻尼系数；m_c为节点质量；V为节点速度；P_pre为静水压力；ρ为海水密度；h为水深。

重力：对于每一单元来说，重力为均布荷载，采用传统有限元的等效荷载原则将重力加到每个节点上。

阻尼力：考虑单元两端的节点质量(为节点所连接的两各单元的单元质量和的一半)，将其乘以节点速度和阻尼系数，得到阻尼力。

静水压力：由耦合关系可知，在扶正过程中，各单元上的静水压力随着单元位置的变化而变化，故需建立压力与坐标的变换关系。如图3a、图3b所示，显示了Spar平台任一单元i在扶正过程中可能承受的静水压力。对于截面A，将单元中轴线C以上部分的水压用以计算p₁，轴线C以下部分用以计算p₂，对截面圆心角进行积分得：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_1=\mathrm{\ρgD}\·\left[\right|y(i,1)|+D/2\·(1-4/\mathrm{\π})-a/D\·\left(\right|y(i,1)|+(D-a)/2\·\cos \mathrm{\θ})]\\ p_2=\mathrm{\ρgD}\·\left[\right|y(i,1)|+D/2\·(1+4/\mathrm{\π})-a/D\·\left(\right|y(i,1)|+(D+a)/2\·\cos \mathrm{\θ})]\end{array}\right.$

式中，p₁、p₂为线性压载端点截面A处的静水压力；ρ为海水密度；g为重力加速度；D为舱体直径；y(i，1)为单元i左节点上坐标；a为采油槽宽度；θ为结构转角。

从公式中可看出，p₁，p₂的值与节点坐标y(i，1)有关，且随其呈线性变化。Spar平台的线性压载端点上部截面B处的静水压力P₃的确定需要对截面B的吃水深度进行讨论，再积分求得，这里不再赘述。需要说明的是，由于单元i受到环向水压力，在图3a、图3b虚线处，轴线C以上部分的水压合力并不为0；从虚线到截面B段，轴线C以下部分的水压合力也不再简单地呈线性变化。但考虑到p₃是由截面B所受全部水压确定，实际是对轴线C以上水压的一种补偿，故在计算等效荷载时假设水压延单元长度完全呈线性分布，既简化了计算，又不失精度。

将p₁和p₂根据有限元的等效荷载原则换算得单元i上的静水压力的等效节点荷载。

②根据扶正过程中软舱压载的大小，确定软舱单元质量：

M_s＝m_s+F_s/g

式中，M_s为软舱单元质量；m_s为软舱结构质量；F_s为扶正过程中的软舱压载。

其中，扶正过程中的软舱压载F_s由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_s=F_{\mathrm{fix}}/t_{\mathrm{fix}}\·T& T\≤t_{\mathrm{fix}}\\ F_s=F_{\mathrm{fix}}& T>t_{\mathrm{fix}}\end{array}\right.$

式中，F_fix为工程中确定的软舱压载；t_fix为加载时间；T为扶正进行时间，初始定为0，随着扶正地进行自动增加。

3)有限元迭代计算：

将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息(位移X_n，速度V_n和加速度a_n)。其中迭代公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{n+1}=x_n+k\·v+\frac{F_n}{2m}\·k^2,n=1\\ x_{n+1}=\frac{F_n\·k^2}{m}\·\frac{1}{(1+c\·k/2)}+{2x}_n\·\frac{1}{(1+c\·k/2)}-x_{n-1}\·\left(\frac{1-c\·k/2}{1+c\·k/2}\right),n>1\end{array}\right.$

式中，n表示第n步；x_n+1表示第n+1步时的节点位移；F_n为第n步时的节点合外力(包括单元对节点的反力)；v_n为第n步时的节点速度；k为步长，小于0.0001s时收敛。

v_n和a_n是由x_n进行差分计算得到的：

$v_n=\left\{\begin{array}{cc}0& n=1\\ (x_{n+1}-x_{n-1})/(2*k)& n>1\end{array}\right.$

$a_n=\left\{\begin{array}{cc}0& n=1\\ (x_{n+1}-2*x_n+x_{n-1})/k^2& n>1\end{array}\right.$

4)判断：

若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε(ε是在计算编程中，用以确定两个数值真的很接近而设定的微小量，可以是0.001也可以是0.0001)，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1，重新进行计算。

5、输出运动信息：

扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域。

6、运动信息荷载转化：

Spar平台主体部分的刚度较大，为简化ANSYS模型中的荷载导入，可将扶正过程近似看作刚体平动和转动的组合运动。因此，从程序中取出两个节点的运动参数的时程，进行最优拟合，就可得到扶正过程中任一状态的结构转心，转动及平动的速度与加速度。如此，只要在将静水压力、阻尼力、惯性力和软舱内海水质量加入到ANSYS模型当中，就可进行结构强度分析。

导入静水压力：在Spar平台底部中心处建立倾斜坐标系，使Spar平台在该坐标系下倾角正好为扶正过程中所研究状态的倾角。在该坐标系下建立线性压载，使其斜率为海水密度乘以重力加速度，在海面处面压力为零。如此，只要选出低于海面的单元，对其施加所建立的线性压载，完成静水压力导入。

导入阻尼力：在Spar平台底部中心处建立随体坐标系，由程序导入坐标原点的水平速度v_x和竖向速度v_y，将其转化为以主体结构为轴的轴向速度v_cn和切向速度v_ct，在Spar平台转动速度ω以拟合求出的情况下，Spar平台任一点的阻尼力都表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{cn}}=-C\·V_{\mathrm{cn}}\\ F_{\mathrm{ct}}=-C\·(V_{\mathrm{ct}}-\mathrm{\ω}\·z)\end{array}\right.$

F_cn为轴向阻尼力，即随体坐标下的Z向；F_ct为切向阻尼力，即随体坐标下的X向；C为阻尼，等于质量乘以阻尼系数；z为随体坐标下的Z坐标值。如此，只要选出Spar平台的所有单元，对每一单元按上式求出其阻尼力，然后平均加载在该单元的节点上即可。

导入惯性力：对于转动加速度，在确定转心在整体坐标系下的坐标后可直接导入ANSYS模型；对于平动加速度，先分解为整体坐标系下的X向和Z向，再导入。

通过以上荷载导入方法，将时域运动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后即可实现对扶正过程中的每一状态进行详细的强度分析。

Claims (5)

1.一种浮式Spar平台的扶正分析方法，其包括以下步骤：

1)确定Spar平台的初始单元信息和参数：根据计算精度和划分原则，对Spar平台进行单元划分，将软舱划为一个单元，管桁架划为一个单元，硬舱根据单元长度划为若干个单元，得到基本单元信息和材料信息；根据结构尺寸和质量分布，确定初始吃水深度，得到单元初始位移；根据实际工程情况确定固定压载、加载时间、阻尼系数和附加质量的大小；

2)荷载计算和软舱单元质量的确定：根据荷载、位移及质量间的耦合关系，结合传统有限元的等效荷载原理，计算每一单元承受荷载；根据扶正过程中软舱压载的大小，确定软舱单元质量；

3)有限元迭代计算：将Spar平台的基本单元信息、材料信息以及计算所得的荷载导入向量式有限元平面弯曲梁模型，进行迭代计算，得到新的运动信息；

4)判断：若新的运动信息中结构转角已经为90°，且与2秒前的结构转角相差不到微小量ε，则扶正已完成，模拟结束；否则将新的运动信息导入步骤1)，重新进行计算；

5)输出运动信息：扶正结束时，将所记录的时域运动信息输出，时域运动信息包括位移时域，速度时域及加速度时域；

6)运动信息荷载转化：建立荷载导入方法，并根据该荷载导入方法将时域运动信息转化为荷载时域导入ANSYS结构分析模型中，然后对整个扶正过程进行强度分析。

2.如权利要求1所述的浮式Spar平台的扶正分析方法，其特征在于：每一单元承受荷载包括重力、阻尼力和静水压力：

重力：对于每一单元来说，重力为均布荷载，采用有限元的等效荷载原则将重力加到每个节点上；

阻尼力：将单元两端的节点质量乘以节点速度和阻尼系数，得到阻尼力；

静水压力：在扶正过程中，各单元上的静水压力随着单元位置的变化而变化，需建立压力与坐标的变换关系，因此对Spar平台任一单元i的下部截面圆心角进行积分得：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_1=\mathrm{\ρgD}\·\left[\right|y(i,1)|+D/2\·(1-4/\mathrm{\π})-a/D\·\left(\right|y(i,1)|+(D-a)/2\·\cos \mathrm{\θ})]\\ p_2=\mathrm{\ρgD}\·\left[\right|y(i,1)|+D/2\·(1+1/\mathrm{\π})-a/D\·\left(\right|y(i,1)|+(D+a)/2\·\cos \mathrm{\θ})]\end{array}\right.$

式中，p₁、p₂为线性压载端点下部截面处的静水压力；ρ为海水密度；g为重力加速度；D为舱体直径；y(i，1)为单元i左节点上坐标；a为采油槽宽度；θ为结构转角；

然后将p₁和p₂根据有限元的等效荷载原则换算得单元i上的静水压力的等效节点荷载。

3.如权利要求1所述的浮式Spar平台的扶正分析方法，其特征在于：软舱单元质量由以下公式确定：

M_s＝m_s+F_s/g

式中，M_s为软舱单元质量；m_s为软舱结构质量；F_s为扶正过程中的软舱压载；

其中，扶正过程中的软舱压载F_s由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_s=F_{\mathrm{fix}}/t_{\mathrm{fix}}\·T& T\≤t_{\mathrm{fix}}\\ F_s=F_{\mathrm{fix}}& T>t_{\mathrm{fix}}\end{array}\right.$

式中，F_fix为工程中确定的软舱压载；t_fix为加载时间；T为扶正进行时间，初始定为0，随着扶正地进行自动增加。

4.如权利要求2所述的浮式Spar平台的扶正分析方法，其特征在于：软舱单元质量由以下公式确定：

M_s＝m_s+F_s/g

式中，M_s为软舱单元质量；m_s为软舱结构质量；F_s为扶正过程中的软舱压载；其中，扶正过程中的软舱压载F_s由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{cc}{F}_s=F_{\mathrm{fix}}/t_{\mathrm{fix}}\·T& T\≤t_{\mathrm{fix}}\\ F_s=F_{\mathrm{fix}}& T>t_{\mathrm{fix}}\end{array}\right.$

式中，F_fix为工程中确定的软舱压载；t_fix为加载时间；T为扶正进行时间，初始定为0，随着扶正地进行自动增加。

5.如权利要求1或2或3或4所述的浮式Spar平台的扶正分析方法，其特征在于：建立载荷导入方法包括以下内容：

导入静水压力：在Spar平台底部中心处建立倾斜坐标系，使Spar平台在该坐标系下倾角正好为扶正过程中的倾角；在该坐标系下建立线性压载，使其斜率为海水密度乘以重力加速度，在海面处面压力为零；选出Spar平台低于海面的单元，对其施加所建立的线性压载，完成静水压力导入；

导入阻尼力：在Spar平台底部中心处建立随体坐标系，由程序导入坐标原点的水平速度v_x和竖向速度v_y，将其转化为以主体结构为轴的轴向速度v_cn和切向速度v_ct，在Spar平台转动速度ω以拟合求出的情况下，Spar平台任一点的阻尼力都表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{cn}}=-C\·V_{\mathrm{cn}}\\ F_{\mathrm{ct}}=-C\·(V_{\mathrm{ct}}-\mathrm{\ω}\·z)\end{array}\right.$

F_cn为轴向阻尼力，即随体坐标下的Z向；F_ct为切向阻尼力，即随体坐标下的X向；C为阻尼，等于质量乘以阻尼系数；z为随体坐标下的Z坐标值；选出Spar平台的所有单元，对每一单元按上式求出其阻尼力，然后平均加载在该单元的节点上即可；

导入惯性力：对于转动加速度，在确定转心在整体坐标系下的坐标后可直接导入ANSYS模型；对于平动加速度，先分解为整体坐标系下的X向和Z向，再导入。

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