CN109992878A - 海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，首先确定海洋平台各受风结构和设备及其在风速为1m/s时所遭受的水平风载荷，并将其分为两类；对于第一类，创建平台整体强度分析模型并检查其正确度；对于第二类，在其与平台主体连接界面处创建虚拟结构。在某一风向下，对第一类加载水平风载荷，并在第二类的虚拟结构上加载水平风载荷，查看平台整体强度分析模型中的水平风载使其与步骤S1中的水平风载荷相等，再对其他风向的水平风载荷进行加载，各风向为一个基本工况，根据分析工况中风速的大小，得到各风向下基本工况的工况组合因子和分析工况的风载荷。解决了风载荷加载效果不真实，海洋平台整体结构强度分析结果失真的问题。

Description

海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，特别是涉及一种海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法。

背景技术

为确保海洋平台结构安全可靠，基本设计阶段须对海洋平台整体结构强度进行分析。在海洋平台所遭受的所有外部环境载荷中，风载荷所占比例很高，甚至能达到所有外载荷的一半以上。因此在海洋平台整体结构强度分析中，风载荷的加载非常重要，风载荷加载的作用面、作用方向和作用大小应尽量与实际风载荷相同。而海洋平台遭受风载荷作用的结构和设备较多，在海洋平台整体结构强度分析中，不可能对所有遭受风载荷作用的结构和设备进行建模，从而无法按照风载荷实际作用效果进行加载。因此，在海洋平台整体强度分析模型中，通常创建的是平台主船体的分析模型，采用集中力载荷、线载荷或者面载荷的形式将风载荷施加作用于主船体结构上，这种形式的风载荷加载方法较为简便，但会因为加载的作用点或作用面不正确(平台主船体之外的其他结构或设备也遭受风载荷)，而产生附加力矩，造成强度分析结果的失真；同时加载的作用点与实际风载荷的作用点不同，也会造成强度分析结果的失真。基于此，本发明提出一种海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，以保证加载的风载荷能够真实反映风对海洋平台结构的作用，确保后续的海洋平台整体结构强度分析结果可靠。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，解决了因不能对所有遭受风载荷作用的结构和设备进行建模，而无法按照风载荷实际作用效果进行加载，使得对海洋平台整体结构强度分析结果失真的问题。

本发明所采用的技术方案是，海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，具体步骤如下：

步骤S1、确定海洋平台各受风结构和设备及其在风速为1m/s时所遭受的水平风载荷；

步骤S2、将海洋平台各结构和设备分成两类：第一类是平台整体强度分析模型中需要建模并对其进行强度分析的结构部分，第二类是平台整体强度分析模型中不需要建模和分析的结构或设备；

步骤S3、对于第一类结构部分，创建平台整体强度分析模型并检查模型是否正确；

步骤S4、对于第二类结构或设备，采用虚拟板梁结构在其与平台主体的连接界面处创建虚拟结构；

步骤S5、在某一风向下，对第一类结构部分的水平风载荷进行加载；

步骤S6、在该风向下，对第二类结构或设备，在已创建好的虚拟板梁结构上加载水平风载荷；

步骤S7、查看在该风向下平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷合力的大小和水平风载荷对海底的力矩大小，用该力矩除以该合力求得该合力作用线距海底的高度；

步骤S8、使平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷与步骤S1中确定的该风向下遭受的水平风载荷相等；

步骤S9、在该风向下，将平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷组合为一个基本工况；

步骤S10、对其他风向的水平风载荷进行加载，重复上述步骤S5～S9的操作，每一个风向对应一个基本工况；

步骤S11、根据分析工况中的风速的大小和基本工况的水平风载荷，计算分析工况的风载荷。

进一步的，所述步骤S1通过规范计算方法或风洞模型试验方法确定海洋平台各受风结构和设备所遭受的水平风载荷。

进一步的，所述通过规范计算方法确定海洋平台各受风结构和设备所遭受的水平风载荷，对于每一个风向，确定的水平风载荷结果都包括：各受风结构或设备所遭受的水平风载荷、各项水平风载荷对海底的力矩、各项水平风载荷作用线距海底的高度、各项水平风载荷合力的大小、各项水平风载荷对海底的合力矩、各结构和设备所遭受水平风载荷占水平风载荷合力的比例、各结构和设备所遭受水平风载荷力矩占水平风载荷合力矩的比例；

所述通过风洞模型试验方法确定海洋平台各受风结构和设备所遭受的水平风载荷，该模型试验风载荷的结果包括各风向下的：水平风载荷合力的大小、水平风载荷对海底的合力矩、水平风载荷合力作用线距海底的高度、根据规范计算方法中各受风结构和设备所遭受水平风载荷占水平风载荷合力的比例得到的各受风结构或设备的风洞模型试验水平风载荷、根据规范计算方法中各受风结构和设备所遭受水平风载荷力矩占水平风载荷合力矩的比例得到的各受风结构或设备的风洞模型试验水平风载荷力矩。

进一步的，所述步骤S4中创建虚拟结构是设置一与平台主体相互垂直的虚拟板，沿虚拟板上部的板边处创建虚拟梁，如果结构或设备的实际高度小于预设高度，则虚拟板的高度等于结构或设备的实际高度；如果结构或设备的实际高度大于等于预设高度，则虚拟板的高度设为预设高度，虚拟板和虚拟梁的材料属性与平台主体结构的材料属性相同。

进一步的，所述虚拟板梁结构中，虚拟板厚度为16mm、虚拟梁是200mm×10mm的扁钢。

进一步的，所述步骤S5的具体过程为：在某一风向下，根据风向确定第一类结构或设备遭受的风载荷的作用面，依次在这些作用面上施加水平面载荷或线载荷，水平面载荷或线载荷的方向与风向一致，水平面载荷或线载荷的大小等于步骤S1中确定的该结构或设备所遭受的风载荷。

进一步的，所述步骤S6的具体过程为：在某一风向下，在已创建好的虚拟板梁结构的虚拟板上施加水平风载荷，水平风载荷的方向与风向一致；水平风载荷的大小等于步骤S1中确定的该虚拟板梁结构对应的第二类结构或设备所遭受的风载荷，如果该第二类结构或设备的高度与虚拟板结构的高度不同，还要加载由于风载荷作用点的变化而引起的附加力矩。

进一步的，所述步骤S8的具体过程如下：将平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷合力与步骤S1中确定的水平风载荷合力进行比较，同时将该模型中加载的水平风载荷合力作用线距海底的高度值与步骤S1中确定的水平风载荷合力作用线距海底的高度值进行比较；如果两组比较结果均相差在1％以内即为相等，否则，调整在平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷，直到两组比较结果均相差在1％以内为止。

进一步的，所述附加力矩＝按照规范计算得到的或按照风洞模型试验换算得到的该结构或设备遭受的水平风载荷对海底的力矩-对平台整体强度分析模型中加载后的水平风载荷进行校核得到的该结构或设备遭受的水平风载荷对海底引起的弯矩；

所述附加力矩施加方式为：在虚拟梁中点处加上一水平力矩，该水平力矩的大小等于附加力矩的大小；附加力矩如为正值，该水平力矩的方向与实际风引起的力矩的方向相同；附加力矩如为负值，该水平力矩的方向与实际风引起的力矩的方向相反。

进一步的，所述步骤S11中按照如下公式计算分析工况的风载荷：

LC_风＝n_风×lc_风＝V_风×V_风×lc_风

其中，LC_风为分析工况的风载荷，n_风为该分析工况的工况组合因子，V_风为该分析工况的风速，lc_风为与该分析工况相对应的基本工况的水平风载荷。

本发明的有益效果是，通过该海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，一方面，采用了虚拟板梁结构进行风载荷的加载，加载风载荷的结果能够真实反映实际风对海洋平台结构的作用效果，使得平台整体结构强度分析结果正确可靠；另一方面，风载荷施加过程简单高效，加载风载荷的过程简洁，易对加载后的风载荷进行校验，且加载风载荷时不影响海洋平台整体结构强度分析模型。解决了因不能对所有遭受风载荷作用的结构和设备进行建模，而无法按照风载荷实际作用效果进行加载，使得对海洋平台整体结构强度分析结果失真的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是三桩腿悬臂梁式自升式平台侧视简图。

图2是三桩腿悬臂梁式自升式平台俯视简图。

图3是三桩腿悬臂梁式自升式平台整体结构强度分析模型图。

图4是三桩腿悬臂梁式自升式平台整体结构强度分析模型上部图。

图5是三桩腿悬臂梁式自升式平台整体结构强度分析风载荷加载效果图。

图6三桩腿悬臂梁式自升式平台整体结构强度分析风载荷加载效果详图。

图7是一带有设备的结构体示意图。

图8是采用3根梁代替结构体上的设备传递风载荷结构示意图。

图9是采用5根梁代替结构体上的设备传递风载荷结构示意图。

图10是采用虚拟板梁结构代替结构体上的设备传递风载荷示意图。

图11是采用3根梁代替结构体上的设备传递风载荷分析结果图。

图12是采用5根梁代替结构体上的设备传递风载荷分析结果图。

图13是采用虚拟板梁结构代替结构体上的设备传递风载荷分析结果图。

图中，1.桩腿和固桩结构，2.主船体，3.悬臂梁和钻台，4.井架，5.吊机，6.生活楼和直升机平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，具体步骤如下：

步骤S1、确定海洋平台遭受风载荷的结构和设备及其在风速为1m/s时所遭受的水平风载荷；

根据规范或者按照理论数值方法完成平台风载荷的计算，对于每一个风向，水平风载荷的结果都包括：

①各受风结构或设备所遭受的水平风载荷；

②各项水平风载荷对海底的力矩；

③各项水平风载荷作用线距海底的高度；

④各项水平风载荷合力的大小；

⑤各项水平风载荷对海底的合力矩；

⑥合力矩除以合力得到合力作用线距海底的高度；

⑦各结构和设备所遭受风载荷占总的风载荷力和力矩的比例。

除此之外，若对海洋平台完成风洞模型试验并欲将风洞试验结果应用到分析计算中，则还需根据风洞模型试验结果换算得到风速为1m/s时平台遭受的实际风载荷，该模型试验风载荷的结果包括各风向下的：

①水平风载荷合力的大小；

②水平风载荷对海底的合力矩；

③合力矩除以合力得到合力作用线距海底的高度。

然后根据规范计算中各结构和设备的风载荷及其在总的风载荷中所占的比例，得到各受风结构或设备的模型试验风载荷。

步骤S2、将遭受风载荷的结构和设备分成两类：第一类是平台整体强度分析模型中需要建模并对其进行强度分析的结构部分，如主船体等尺寸相对较大、所遭受的风载荷也大的结构；因平台整体强度分析是对平台整体结构进行分析，因此分析模型只需要对整体结构进行建模，而不包括设备。第二类是平台整体强度分析模型中不需要建模和分析的结构(如甲板室，可单独对其进行强度分析)或设备(如吊机)。

步骤S3、对于第一类在平台整体强度分析模型中需要建模并对其进行强度分析的结构部分，检查该模型是否正确。

步骤S4、对于第二类在平台整体强度分析模型中不需要建模和分析的结构或设备，在其与平台主体的连接界面处创建虚拟结构，该虚拟结构用厚度为16mm的虚拟板结构表示，虚拟板与平台主体垂直，沿虚拟板上部的板边处创建虚拟梁，虚拟梁用200mm×10mm的扁钢表示。虚拟板的厚度不能太薄，比如只有2mm，如果太薄，在外力作用下，虚拟板结构失效，就起不到传递力的作用；虚拟板的厚度也没必要太厚，比如50mm。这里设置虚拟板的厚度为16mm，较平台主船体厚度稍微厚一些，既可以起到传递力的作用，而且厚度为16mm、高度为1m的虚拟板的刚度足够可以表示第二类结构或设备的刚度。设置虚拟梁，主要是用于加载附加力矩。因为在软件中，附加力矩不能直接加载到板上，只能加载到梁上，所以才在虚拟板的上部边缘处创虚拟梁。虚拟梁用200mm×10mm的扁钢表示，与平台中常见的加强筋的类型相当，与虚拟板的尺寸也匹配。这里也可以将虚拟板的厚度设置为18mm，虚拟梁直接用180mm×10mm的扁钢。当然，也可以通过其他构件表示虚拟梁和虚拟板。

如果结构或设备的实际高度小于1m，则虚拟板的高度应等于结构或设备的实际高度；如果结构或设备的实际高度大于等于1m，则虚拟板的高度取1m。此处的1m为预设高度，因为第二类结构或设备的高度尺寸是不同的，井架高达几十米，生活楼高度可达十几米，按照实际高度创建虚拟板的高度不仅仅需要花费较长时间，而且由于模型尺寸大也会导致计算分析的时间变长，设置预设高度，就是为了建模简单并尽量减少分析的时间，此处的预设高度也可以设为2m或其他高度。虚拟结构的材料属性与平台主体结构的材料属性相同。采用虚拟板梁结构进行风载荷的加载，加载风载荷的结果能够真实反映实际风对海洋平台结构的作用效果，确保后续的分析结果正确可靠。

创建虚拟结构，是为了使力加载的效果与实际风作用的效果一致，虚拟结构所创建的位置需对应于第二类结构或设备的位置，虚拟结构与平台主体相连接的部位就是第二类结构或设备与平台主体相连接的部位，这样可以保证力的传递路径与实际一致；加载的力的大小，考虑了附加力矩的影响，也保证了加载的力的大小与实际一致。因此，创建虚拟结构可以保证力的大小和传递方向的准确性。

平台主体指平台主船体，因为平台整体强度分析模型比较大，利用分析软件进行建模分析时，由于模型太大所以建模时间长、每一次计算的时间也比较长，所以平台整体强度分析主要是对平台主船体进行建模分析，其他的结构如直升机甲板一般是单独建模分析，所以在平台整体强度分析模型中不需要创建直升机甲板的模型。再比如主船体的甲板上的一些泥浆处理设备，在平台整体强度分析模型中，是不需要对这些设备进行建模的，但这些设备尺寸比较大，它们遭受的风载荷也比较大，这些风载荷会传递到主船体上，所以需要计算这些设备所遭受的风载荷，但不需要对它们建模。

虚拟板与平台主船体的结构相互垂直，沿虚拟板上部的板边处创建虚拟梁，即虚拟梁就在虚拟板上部的边缘位置处，板边缘和梁是重合的。采用虚拟板梁结构进行风载荷的加载不是本领域常规做法。常规做法是将风载荷作为集中力、线载荷或面载荷直接加载到主船体上。按照常规做法进行加载时，由于力加载的位置高度与实际风作用的高度不同，容易产生附加弯矩，加上实际风不是集中力的形式，所以会造成风的加载与实际风的作用不同，从而引起分析结果的失真。而采用虚拟板梁结构进行加载，则可以避免这样的失真，能够真实反映实际风对海洋平台结构的作用效果，能够确保后续的分析结果正确可靠。

步骤S5、对于第一类在平台整体强度分析模型中需要建模并对其进行强度分析的结构部分的风载荷加载，在某一风向下，根据风向确定风载荷的作用面，依次在这些作用面上施加水平面载荷或线载荷，水平面载荷或线载荷的方向与风向一致，水平面载荷或线载荷的大小等于该作用面在其所处海平面高度下风速为1m/s时所遭受的风载荷。

步骤S6、在该风向下，对第二类结构或设备，在已创建好的虚拟板梁结构上加载水平风载荷。在已创建好的虚拟板梁结构上施加水平风载荷，水平风载荷的方向与风向一致。水平风载荷的合力值等于该结构或设备在其所处海平面高度下风速为1m/s时所遭受的风载荷，如果结构或设备的高度小于等于1m，则虚拟板结构的高度与实际结构或设备的高度相等；如果结构或设备的高度大于1m，则虚拟板结构的高度设为1m，加载风载荷时还需考虑由于风载荷合力作用点的变化而引起的附加力矩。

力乘以力臂等于力矩，如果结构或设备的高度与虚拟板结构的高度不同，那么就相当于力臂不同，从而造成力矩不同。这两个力矩差就是附加力矩。所以考虑这个附加力矩，才不会失真。

步骤S7、查看在如上所述的某一风向下，平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷合力的大小和水平风载荷对海底的力矩的大小，用力矩除以合力求得合力作用线距海底的高度。

步骤S8、将模型中加载的风载荷合力与已知的合力进行比较，同时将模型加载后合力作用线距海底的高度值与已知的高度值进行比较，所述已知的合力为步骤S1中计算的水平风载荷合力，已知的高度值为步骤S1中计算的水平风载合力作用线距海底的高度值，比较后如果均相差在1％以内，则视为二者相等。否则，调整在平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷，如加载后模型中的风载荷合力大于已知的合力，则根据二者的差值减小模型中的风载荷合力。比如模型加载后合力作用线距海底的高度值大于已知的高度值，则降低模型加载力的作用线，直到二者相差在1％以内为止。

步骤S9、如上所述的某一风向下，将平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷组合为一个基本工况。

步骤S10、对其他风向的风载荷进行加载，重复上述步骤S5～S9的操作，每一个风向对应一个基本工况。

步骤S11、风载荷的大小与风速的平方呈正比，根据分析工况中风速的大小，得到工况组合因子即风速的平方，并计算分析工况的风载荷。

因风载荷的大小与风速的平方呈正比，当分析工况的风速确定时，风载荷的大小直接用1m/s时的风载荷×风速的平方就可以。分析工况不同，风速大小也不同，且同一个分析工况包含多个风向，这样，对于每个分析工况的每个风向，风载荷的大小等于该风向下基本工况的风载荷×该分析工况的风速的平方，本发明基本工况的风载荷即为风速为1m/s时的风载荷，不需要每次重新修改每个风载荷的大小，对于建模分析来说，提高了分析效率。分析工况LC包括航行工况、作业工况、自存工况；基本工况lc可以是风载荷工况、波浪载荷工况、惯性载荷工况等；本发明确定的是分析工况的风载荷，故基本工况是风载荷工况。

对风载荷而言，有：

LC_风＝n_风×lc_风＝V_风×V_风×lc_风

其中，LC_风为分析工况的风载荷，lc_风为与分析工况相对应的基本工况下风速为1m/s时的水平风载荷，n_风为该分析工况的工况组合因子，V_风为该分析工况的风速，n_风＝V_风×V_风。

海洋平台可以是自升式平台、半潜式平台、张力腿式平台、立柱式平台、船型海洋工程船等与上述结构体相似的船舶与海洋工程结构物。

以下以三桩腿自升式平台为例，根据附图对本发明风载荷加载方法的具体实施进行进一步说明。

如图1和图2所示，本实施例中的海洋平台的坐标系为笛卡尔坐标系，其中坐标原点O位于海底面上左舷桩靴中心和右舷桩靴中心的连线的中点，X轴指向平台艏部为正，Y轴指向平台左舷为正，Z轴指向上为正。

如图1和图2所示，本实施例中的海洋平台由三个桩靴和三条桩腿支撑，每条桩腿包含三根舷管。如图2所示，每条桩腿通过固桩系统与平台的主船体连接。

风载荷加载的过程如下：

第一步，确定海洋平台遭受风载荷的结构和设备。

对于图1和图2所示的简化的自升式平台，遭受风载荷的结构和设备有：桩腿和固桩结构1，主船体2，悬臂梁和钻台3，井架4，吊机5，生活楼和直升机平台6。

第二步，确定海洋平台各结构和设备所遭受的风载荷。

按照规范方法，计算得到所有风向下风速为1m/s时各结构和设备所遭受的风载荷：

①桩腿和固桩结构1的风载荷F1及对海底的力矩M1，作用线距海底的高度H1＝M1/F1；

②主船体2的风载荷F2及对海底的力矩M2，作用线距海底的高度H2＝M2/F2；

③悬臂梁和钻台3的风载荷F3及对海底的力矩M3，作用线距海底的高度H3＝M3/F3；

④井架4的风载荷F4及对海底的力矩M4，作用线距海底的高度H4＝M4/F4；

⑤吊机5的风载荷F5及对海底的力矩M5，作用线距海底的高度H5＝M5/F5；

⑥生活楼和直升机平台6的风载荷F6及对海底的力矩M6，作用线距海底的高度H6＝M6/F6。

求和得到平台整体所遭受的风载荷合力：F_规范＝F1+F2+F3+F4+F5+F6，平台整体所遭受的风载荷合力矩：M_规范＝M1+M2+M3+M4+M5+M6，以及风载荷合力作用线距海底的高度H＝M_规范/F_规范。

然后求取各结构和设备所遭受风载荷占总的风载荷的比例：

①桩腿和固桩结构1的风载荷力占比F1/F_规范，风载荷力矩占比M1/M_规范；

②主船体2的风载荷力占比F2/F_规范，风载荷力矩占比M2/M_规范；

③悬臂梁和钻台3的风载荷力占比F3/F_规范，风载荷力矩占比M3/M_规范；

④井架4的风载荷力占比F4/F_规范，风载荷力矩占比M4/M_规范；

⑤吊机5的风载荷力占比F5/F_规范，风载荷力矩占比M5/M_规范；

⑥生活楼和直升机平台6的风载力荷占比F6/F_规范，风载荷力矩占比M6/M_规范。

如果平台整体强度分析中采用风洞模型试验的结果，则还需根据风洞模型试验结果，换算得到平台整体所遭受的风载荷F_风洞和风载荷对海底的力矩M_风洞，然后利用规范计算所得到的各结构和设备所遭受的风载荷占比和风载荷对海底的力矩占比，求得风洞模型试验中各结构和设备所遭受的风载荷和对海底的力矩。

于是，由风洞模型试验结果换算得到的结果为：

①桩腿和固桩结构1的风载荷等于F_风洞×F1/F_规范，对海底的力矩等于M_风洞×M1/M_规范；

②主船体的风载荷等于F_风洞×F2/F_规范，对海底的力矩等于M_风洞×M2/M_规范；

③悬臂梁和钻台的风载荷等于F_风洞×F3/F_规范，对海底的力矩等于M_风洞×M3/M_规范；

④井架的风载荷等于F_风洞×F4/F_规范，对海底的力矩等于M_风洞×M4/M_规范；

⑤吊机的风载荷等于F_风洞×F5/F_规范，对海底的力矩等于M_风洞×M5/M_规范；

⑥生活楼和直升机平台的风载荷等于F_风洞×F6/F_规范，对海底的力矩等于M_风洞×M6/M_规范。

第三步，对遭受风载荷的结构和设备分成两类：

第一类是平台整体强度分析模型中需要建模并对其进行强度分析的结构部分，在本实施例中，包括桩腿和部分固桩结构1、主船体2；

第二类是平台整体强度分析模型中不需要建模和分析的结构，在本实施例中，包括悬臂梁和钻台3、井架4、吊机5、生活楼和直升机平台6。

第四步，对于第一类——桩腿和部分固桩结构1、主船体2，采用SESAM、Patran、ANSYS等分析软件，根据图纸创建平台整体强度分析模型，并保证该模型的准确性。

第五步，对于第二类——悬臂梁和钻台3、井架4、吊机5、生活楼和直升机平台6，在平台整体强度分析中不需要对此建模，在此类结构、设备与平台主体的连接部位处创建虚拟结构，该虚拟结构用厚度为16mm的板结构表示，虚拟板与平台主体垂直，沿虚拟板上部的板边处创建虚拟梁，虚拟梁用200mm×10mm的扁钢表示。本实施例中，结构或设备的实际高度大于1m，则虚拟结构的高度取1m。虚拟板和虚拟梁的材料属性与平台主体结构的材料属性相同。

创建好的平台整体分析模型如图3和图4所示。

在本实施例中，假设分析工况的风向为0°，与平台X正方向一致。

第六步，对于第一类——主船体2，风载荷加载前，首先根据分析工况的风向确定风载荷的作用面，依次在这些作用面上施加水平面载荷，水平面载荷的方向与风向一致，水平面载荷的大小等于该作用面在其所处海平面高度下风速为1m/s时所遭受的风载荷。

对于第一类——桩腿和部分固桩结构1，依次在暴露于风场中的桩腿弦杆结构上施加水平线载荷，水平线载荷的方向与风向一致，水平线载荷的大小等于该作用面在其所处海平面高度下风速为1m/s时所遭受的风载荷。

第七步，对于第二类，平台整体强度分析模型中不需要建模和分析的结构或设备，在某一风向下，在已创建好的虚拟板梁结构上施加水平载荷，水平载荷的方向与风向一致，水平载荷的合力值等于该结构或设备在其所处海平面高度下风速为1m/s时所遭受的风载荷，由于本实施例中的结构或设备的高度高于虚拟板结构的高度，因此加载风载荷时还需考虑由于风载荷合力作用点的变化而引起的附加力矩。

本实施例中，以悬臂梁和钻台3、井架4为例，井架4位于悬臂梁和钻台3上方，高度大于1m，在创建风载荷加载的虚拟板梁结构时，只需在悬臂梁和钻台3与主船体2的连接界面处创建高度为1m的虚拟板，沿虚拟板上部的板边处创建虚拟梁，虚拟梁用200mm×10mm的扁钢表示。在虚拟板上加载面载荷，面载荷的大小等于风速为1m/s时作用于悬臂梁和钻台3和井架4上的风载荷的合力，合力大小应等于按照规范计算的载荷F3+F4，或等于根据风洞模型试验换算得到的载荷F_风洞×F3/F_规范+F_风洞×F4/F_规范。

同时校核得到合力对海底引起的弯矩为M₃₊₄。由于在虚拟板上加载的合力作用点位置较实际作用点位置低，合力对海底的弯矩较实际的弯矩小，因此还需要在虚拟梁上加载附加弯矩。附加弯矩的大小为：①按照规范计算的风载荷加载，附加弯矩的大小为M3+M4-M₃₊₄；②按照风洞模型试验结果加载，附加弯矩的大小为M_风洞×M3/M_规范+M_风洞×M4/M_规范-M₃₊₄。

附加弯矩的施加方式为：在虚拟梁中点处上加一水平力矩，该水平力矩的大小等于附加弯矩的大小。如果附加力矩为正值，该水平力矩的方向与实际风引起的力矩的方向相同；如果附加力矩为负值，该水平力矩的方向与实际风引起的力矩的方向相反。

第八步，查看在如上所述的0°风向下，平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷合力的大小和水平风载荷对海底的力矩的大小，用力矩除以合力求得合力作用线距海底的高度。将模型中加载的风载荷合力与已知的合力进行比较，同时将模型加载后合力作用线距海底的高度值与已知的高度值进行比较，比较后如果均相差在1％以内，则视为二者相等。否则，调整在平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷，直到二者相差在1％以内为止。

0°风向下，1m/s风速时风载荷加载后的平台整体分析模型如图5所示，图6给出了较为详细的加载。

第九步，如上所述的某一风向下，将平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷组合为一个基本工况。

第十步，对其他风向的风载荷加载，重复上述第六步到第九步的操作。

第十一步，风载荷的大小与风速的平方呈正比。根据分析工况中风速的大小，得到各风向下基本工况的工况组合因子即分析工况风速的平方。

假设分析工况为作业工况，根据规范要求，分析风速取为70kn，即36m/s。

本实施例中加载的风载荷为1m/s风速下的风载荷，为基本工况。通过工况组合因子将作业工况与基本工况联系起来。作业工况的风速为36m/s，根据风载荷的大小与风速的平方呈正比，利用基本工况组合得到作业工况时，风载荷工况组合因子的大小为36×36＝1296。

如图7所示，在结构体上，有一个设备，设备的高度为2m，其底部四条边与结构体是固定接触的。此刻外界的风，吹向X正方向。经计算，设备所受的风载荷大小为1500N，风载荷对底部约束点处的力矩为13500N·m。对结构体的强度进行分析时，假设风载荷的加载方法有三种：第一种加载方法如图8所示，用3根梁传递风载荷，在梁的交汇点处施加集中力载荷，集中力载荷的大小为1500N，调整梁的交汇点的坐标，使得该集中力载荷对底部约束点处的力矩为13500N·m；第二种加载方法如图9所示，用5根梁传递风载荷，在梁的交汇点处施加集中力载荷，集中力载荷的大小为1500N，调整梁的交汇点的坐标，使得该集中力载荷对底部约束点处的力矩为13500N·m；第三种方法即为本发明所提出的风载荷加载方法，如图10所示，即采用高度为1m的虚拟板结构，虚拟板结构4条顶边处分别创建4根虚拟梁。风吹向X正方向，据此确定风载荷的作用面并在此作用面上施加面载荷，面载荷的大小等于1500N，该面载荷对底部约束点处的力矩为12750N·m，与实际风载荷对底部约束点处的力矩13500N·m相比，还差750N·m，因此在承受风载荷的虚拟梁上施加750N·m的力矩。

比较以上3种加载方法，风载荷的大小均为1500N，风载荷对底部约束点处的力矩均为13500N·m，与实际风载荷的大小和所产生的力矩相同；设备的底部与结构体是固定接触在一起的，二者之间载荷的传递是通过接触边传递；第一种加载方法和第二种加载方法均采用梁传递风载荷，梁与结构体是通过接触点传递载荷，与实际的传递效果是不一致的；第三种加载方法采用虚拟结构进行加载，虚拟结构与结构体的接触边与实际设备与结构体的接触边的位置相同，从而保证风载荷的传递与实际的传递效果是一致的。由此可见，对结构体进行强度分析，考虑设备的风载荷加载时，按照第三种虚拟结构的加载方法进行加载，与实际风载荷的作用过程是一致的。

如图11～13所示，第一种和第二种加载方法的分析结果类似，对于结构体，应力分布相同，最大应力的位置相同，最大应力值大小分别为9999Pa和9913Pa，稍有差别；对第三种加载方法，结构体的应力分布与前两种加载方法的应力分布完全不同，最大应力的位置也不同于前两种加载方法，最大应力值的大小为2336Pa，远小于前两种加载方法的结果。由此可见，第三种加载方法与实际风载荷的作用过程是一致的，分析结果更能反映实际风载荷的作用效果。第三种加载方法与第一种和第二种加载方法，风载荷的加载能够真实反映实际风对结构体的作用效果，保证结构体的强度分析结果更加正确可靠。

风载荷施加过程简单高效，加载风载荷的过程简洁，易对加载后的风载荷进行校验，且加载风载荷时不影响海洋平台整体结构强度分析模型。这是因为一般地，软件能够对加载后的风载荷大小进行统计，根据软件的统计来校验加载的风载荷值是否正确。利用虚拟结构进行风载荷的加载，并没有改变原有的海洋平台整体结构强度分析模型，所以不影响海洋平台整体结构强度分析模型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1、确定海洋平台各受风结构和设备及其在风速为1m/s时所遭受的水平风载荷；

步骤S2、将海洋平台各结构和设备分成两类：第一类是平台整体强度分析模型中需要建模并对其进行强度分析的结构部分，第二类是平台整体强度分析模型中不需要建模和分析的结构或设备；

步骤S3、对于第一类结构部分，创建平台整体强度分析模型并检查模型是否正确；

步骤S4、对于第二类结构或设备，采用虚拟板梁结构在其与平台主体的连接界面处创建虚拟结构；

步骤S5、在某一风向下，对第一类结构部分的水平风载荷进行加载；

步骤S6、在该风向下，对第二类结构或设备，在已创建好的虚拟板梁结构上加载水平风载荷；

步骤S7、查看在该风向下平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷合力的大小和水平风载荷对海底的力矩大小，用该力矩除以该合力求得该合力作用线距海底的高度；

步骤S8、使平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷与步骤S1中确定的该风向下遭受的水平风载荷相等；

步骤S9、在该风向下，将平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷组合为一个基本工况；

步骤S10、对其他风向的水平风载荷进行加载，重复上述步骤S5～S9的操作，每一个风向对应一个基本工况；

步骤S11、根据分析工况中的风速的大小和基本工况的水平风载荷，计算分析工况的风载荷。

2.根据权利要求1所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述步骤S1通过规范计算方法或风洞模型试验方法确定海洋平台各受风结构和设备所遭受的水平风载荷。

3.根据权利要求2所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述通过规范计算方法确定海洋平台各受风结构和设备所遭受的水平风载荷，对于每一个风向，确定的水平风载荷结果都包括：各受风结构或设备所遭受的水平风载荷、各项水平风载荷对海底的力矩、各项水平风载荷作用线距海底的高度、各项水平风载荷合力的大小、各项水平风载荷对海底的合力矩、各结构和设备所遭受水平风载荷占水平风载荷合力的比例、各结构和设备所遭受水平风载荷力矩占水平风载荷合力矩的比例；

所述通过风洞模型试验方法确定海洋平台各受风结构和设备所遭受的水平风载荷，该模型试验风载荷的结果包括各风向下的：水平风载荷合力的大小、水平风载荷对海底的合力矩、水平风载荷合力作用线距海底的高度、根据规范计算方法中各受风结构和设备所遭受水平风载荷占水平风载荷合力的比例得到的各受风结构或设备的风洞模型试验水平风载荷、根据规范计算方法中各受风结构和设备所遭受水平风载荷力矩占水平风载荷合力矩的比例得到的各受风结构或设备的风洞模型试验水平风载荷力矩。

4.根据权利要求1～3任一项所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述步骤S4中创建虚拟结构是设置一与平台主体相互垂直的虚拟板，沿虚拟板上部的板边处创建虚拟梁，如果结构或设备的实际高度小于预设高度，则虚拟板的高度等于结构或设备的实际高度；如果结构或设备的实际高度大于等于预设高度，则虚拟板的高度设为预设高度，虚拟板和虚拟梁的材料属性与平台主体结构的材料属性相同。

5.根据权利要求4所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述虚拟板梁结构中，虚拟板厚度为16mm，虚拟梁是200mm×10mm的扁钢。

6.根据权利要求3或5所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述步骤S5的具体过程为：在某一风向下，根据风向确定第一类结构或设备遭受的风载荷的作用面，依次在这些作用面上施加水平面载荷或线载荷，水平面载荷或线载荷的方向与风向一致，水平面载荷或线载荷的大小等于步骤S1中确定的该结构或设备所遭受的风载荷。

7.根据权利要求3或5所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述步骤S6的具体过程为：在某一风向下，在已创建好的虚拟板梁结构的虚拟板上施加水平风载荷，水平风载荷的方向与风向一致；水平风载荷的大小等于步骤S1中确定的该虚拟板梁结构对应的第二类结构或设备所遭受的风载荷，如果该第二类结构或设备的高度与虚拟板结构的高度不同，还要加载由于风载荷作用点的变化而引起的附加力矩。

8.根据权利要求3或5所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述步骤S8的具体过程如下：将平台整体强度分析模型中加载的水平风载荷合力与步骤S1中确定的水平风载荷合力进行比较，同时将该模型中加载的水平风载荷合力作用线距海底的高度值与步骤S1中确定的水平风载荷合力作用线距海底的高度值进行比较；如果两组比较结果均相差在1％以内即为相等，否则，调整在平台整体强度分析模型中施加的水平风载荷，直到两组比较结果均相差在1％以内为止。

9.根据权利要求7所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述附加力矩＝按照规范计算得到的或按照风洞模型试验换算得到的该结构或设备遭受的水平风载荷对海底的力矩-对平台整体强度分析模型中加载后的水平风载荷进行校核得到的该结构或设备遭受的水平风载荷对海底引起的弯矩；

所述附加力矩施加方式为：在虚拟梁中点处加上一水平力矩，该水平力矩的大小等于附加力矩的大小；附加力矩如为正值，该水平力矩的方向与实际风引起的力矩的方向相同；附加力矩如为负值，该水平力矩的方向与实际风引起的力矩的方向相反。

10.根据权利要求1、2、3、5或9所述的海洋平台整体结构强度分析风载荷加载方法，其特征在于，所述步骤S11中按照如下公式计算分析工况的风载荷：

LC_风＝n_风×lc_风＝V_风×V_风×lc_风

其中，LC_风为分析工况的风载荷，n_风为该分析工况的工况组合因子，V_风为该分析工况的风速，lc_风为与该分析工况相对应的基本工况的水平风载荷。