CN113434974B - 一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及油、气田开发技术领域，且公开了一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，所述分析方法具体包括以下步骤，S1，采用ANSYS和SACS软件分别建立浮托支撑结构的有限元分析模型和上部组块三维杆件分析计算模型；S2，在浮托支撑结构有限元分析模型中，得到浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处刚度；S3,在SACS上部组块三维杆件分析计算模型中，进行上部组块的结构强度校核；S4，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，进行浮托支撑结构的结构强度校核。该一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，能够计入上部组块与浮托支撑结构二者之间刚度的相互影响，使计算模拟更准确，且更易推广应用。

Description

一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的 方法
技术领域
本发明涉及油、气田开发技术领域，具体为一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法。
背景技术
导管架海洋平台是最常见的海上固定平台型式，用于海上油气的开采和处理加工，其上部组块一种板梁结构组成的空间框架结构物，用于承托生产生活设备设施。其上部组块的海上安装通常有吊装安装和浮托安装两种方式。随着技术的发展，上部组块规模和重量越来越大，越来越多的采用浮托法进行上部组块的安装。采用浮托法进行安装，上部组块建造完成后，通过液压系统落至专用的浮托支撑结构顶部，通过结构杆件与浮托支撑结构焊接成整体结构物，再进行滑移装船、海上拖航和浮托安装。
现有技术存在以下缺陷与不足：
上部组块是由工字梁、圆管等细长杆件组成的空间框架结构，其强度分析一般采用专用的SACS软件进行，而浮托支撑结构的主体受力结构是钢板焊接成的板壳式滑靴，需要使用ANSYS有限元模型进行详细分析，通常的强度分析解决方案是，将二者分开进行，不计入上部组块与浮托支撑结构之间的相互影响。而实际上，在滑移装船、海上拖航和浮托安装过程中，浮托支撑结构与组块作为整体结构抵抗外力和发生变形，二者刚度相互影响，分开进行分析求解，将在二者连接的有些位置低估相互作用力，有些位置高估相互作用力，导致分析不准确，甚至引起结构失效。
因此，合理考虑二者之间的相互影响，保证分析准确性，对组块安装的安全性具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，可以解决现有的在滑移装船、海上拖航和浮托安装过程中，浮托支撑结构与组块作为整体结构抵抗外力和发生变形，二者刚度相互影响，分开进行分析求解，将在二者连接的有些位置低估相互作用力，有些位置高估相互作用力，导致分析不准确，甚至引起结构失效问题；本发明通过设置一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，有效解决现有技术分析不准确的问题。
为实现上述的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法目的，本发明提供如下技术方案：一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，所述分析方法具体包括以下步骤，
步骤一，采用ANSYS和SACS软件，分别建立浮托支撑结构的有限元分析模型和上部组块三维杆件分析计算模型；
步骤二，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，于浮托支撑结构与组块连接界面位置处，逐次施加单位荷载进行计算求解，得到浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处刚度；
步骤三,在SACS上部组块三维杆件分析计算模型中，于浮托支撑结构与组块连接界面位置处，施加刚度等效于步骤二中所求得刚度的弹簧约束进行计算求解，得到浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处的弹簧约束力，并进行上部组块的结构强度校核；
步骤四，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，于浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处施加步骤三中所得弹簧力反力进行求解，进行浮托支撑结构的结构强度校核。
进一步地，所述步骤一中使用ANSYS软件，建立浮托支撑结构的有限元模型，包括浮托支撑结构的滑靴、组块连接圆管、海上装船固定连接管、筋板、底部垫木等的三维几何模型、材料参数定义、有限单元网格划分，
对于浮托支撑结构的滑靴、组块连接圆管、筋板等薄壁钢结构使用SHELL单元模拟；
对于浮托支撑结构底部的垫木结构使用SOLID单元模拟；
对于垫木底面与建造场地或驳船滑道顶面之间的滑动约束使用接触单元，即CONTA、TARGE单元模拟。
进一步地，所述步骤一中使用SACS软件，建立上部组块的三维框架模型，包括组块结构梁、立柱斜撑、甲板板、机械、配管等各专业荷载等对于组块结构梁、立柱和斜撑使用BEAM单元模拟，
对于甲板板使用PLATE单元模拟，并考虑这些杆件的偏置影响；
对于机械、配管等各专业荷载通过WEIGHT或LOAD等进行施加。
进一步地，所述步骤二中通过在浮托支撑结构与组块连接杆件界面处施加单位荷载，求解该单位荷载下的变形，计算得到界面连接点处的刚度，其计算方法具体包括以下步骤：
计算时每次只选定某一界面点处，其它界面点处简支约束，逐次施加六自由度中某一自由度的单位力或单位弯矩，计算该界面点处该自由度的变形，然后再选定另外一界面点，其它界面点处简支约束，逐次施加六自由度中某一自由度的单位荷载计算变形，依次变换，直至求得所有界面连接位置处的所有自由度的刚度。
进一步地，所述步骤三中在SACS上部组块模型中，在浮托支撑结构与组块连接界面位置处的连接处施加弹簧约束作为边界条件，进行上部组块的整体强度计算和校核，其中作为边界约束条件的弹簧，其各自由度的刚度等效于步骤二中所求得的浮托支撑结构与组块连接杆件对应界面连接处的对应自由度的刚度值。
进一步地，所述步骤四中将步骤三中所求得的弹簧约束力，经过单位和坐标变换后，等效施加在ANSYS浮托支撑结构模型中与平台组块连接界面处，然后进行求解，进行浮托支撑结构的强度校核。
与现有技术相比，本发明提供了一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，具备以下有益效果：
本一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，通过使用本方法进行受力分析，一方面能够计入上部组块与浮托支撑结构二者之间刚度的相互影响，使计算模拟更准确，另一方面，上部组块仍采用三维杆件模型在SACS软件中计算校核，而浮托支撑结构采用板壳模型，在ANSYS软件中校核，符合二者的结构型式特点也未改变设计人员的使用习惯，更易推广应用。
附图说明
图1为本发明上部组块与浮托支撑结构连接成整体的结构示意图；
图2为本发明浮托支撑结构的ANSYS有限元分析模型示意图；
图3为本发明上部组块SACS三维杆件分析计算模型示意图；
图4为本发明实施例的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的流程示意图。
图中：1、浮托支撑结构；2、上部组块；11、滑靴；12、组块连接圆管；13、海上装船固定连接管；14、底部垫木；15、浮托支撑结构与组块连接界面；21、结构梁；22、结构立柱；23、结构斜撑；24、甲板板。
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。
请参阅图1-4，一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其分析方法具体包括以下步骤，
步骤一，采用ANSYS和SACS软件，分别建立浮托支撑结构的有限元分析模型和上部组块三维杆件分析计算模型。
参见图1，使用ANSYS软件，建立浮托支撑结构的有限元模型，包括浮托支撑结构的滑靴、组块连接圆管、海上装船固定连接管、底部垫木等的三维几何模型、材料参数定义、有限单元网格划分，对于浮托支撑结构的滑靴、组块连接圆管、筋板等薄壁钢结构使用SHELL单元模拟；对于浮托支撑结构底部的垫木结构使用SOLID单元模拟；对于垫木底面与建造场地或驳船滑道顶面之间的滑动约束使用接触单元(CONTA、TARGE单元)模拟。
参见图2，使用SACS软件，建立上部组块的三维框架模型，包括组块结构梁、立柱斜撑、甲板板、机械、配管等各专业荷载等。对于组块结构梁、立柱和斜撑使用BEAM单元模拟；对于甲板板使用PLATE单元模拟，并考虑这些杆件的偏置(OFFSET)影响；对于机械、配管等各专业荷载通过WEIGHT或LOAD等进行施加。
步骤二，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，通过在浮托支撑结构与组块连接杆件界面处施加单位荷载，求解该单位荷载下的变形，计算得到界面连接点处的刚度。
其中计算时每次只选定某一界面点处(其它界面点处简支约束)，逐次施加六自由度中某一自由度的单位力或单位弯矩，计算该界面点处该自由度的变形，然后再选定另外一界面点(其它界面点处简支约束)，逐次施加六自由度中某一自由度的单位荷载计算变形，依次变换，直至求得所有界面连接位置处的所有自由度的刚度。
步骤三,在SACS上部组块三维杆件分析计算模型中，在浮托支撑结构与组块连接界面位置处的JOINT(连接)处施加弹簧约束作为边界条件，弹簧各自由度的刚度等效于步骤二中所求得的浮托支撑结构与组块连接杆件对应界面连接处的对应自由度的刚度值。弹簧刚度设置完成后进行计算求解，进行上部组块的结构强度校核，同时得到浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处的弹簧约束力；
步骤四，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，将步骤三中所求得的弹簧约束力，经过单位和坐标变换后，等效施加在ANSYS浮托支撑结构模型中与平台组块连接界面处,然后进行计算求解，进行浮托支撑结构的强度校核。
本发明的工作使用流程以及安装方法为，本一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法在使用时，通过使用本方法进行受力分析，一方面能够计入上部组块与浮托支撑结构二者之间刚度的相互影响，使计算模拟更准确；另一方面，上部组块仍采用三维杆件模型在SACS软件中计算校核，而浮托支撑结构采用板壳模型，在ANSYS软件中校核，符合二者的结构型式特点也未改变设计人员的使用习惯，更易推广应用本发明方法。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其特征在于：所述分析方法具体包括以下步骤，
步骤一，采用ANSYS和SACS软件，分别建立浮托支撑结构的有限元分析模型和上部组块三维杆件分析计算模型；
步骤二，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，于浮托支撑结构与组块连接界面位置处，逐次施加单位荷载进行计算求解，得到浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处刚度；
步骤三, 在SACS上部组块三维杆件分析计算模型中，于浮托支撑结构与组块连接界面位置处，施加刚度等效于步骤二中所求得刚度的弹簧约束进行计算求解，得到浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处的弹簧约束力，并进行上部组块的结构强度校核；
步骤四，在ANSYS浮托支撑结构有限元分析模型中，于浮托支撑结构与平台组块所有连接界面处施加步骤三中所得弹簧力反力进行求解，进行浮托支撑结构的结构强度校核。
2.根据权利要求1步骤一所述的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其特征在于：使用ANSYS软件，建立浮托支撑结构的有限元模型，包括浮托支撑结构的滑靴、组块连接圆管、海上装船固定连接管、筋板、底部垫木的三维几何模型、材料参数定义、有限单元网格划分，
对于浮托支撑结构的滑靴、组块连接圆管、筋板薄壁钢结构使用SHELL单元模拟；
对于浮托支撑结构底部的垫木结构使用SOLID单元模拟；
对于垫木底面与建造场地或驳船滑道顶面之间的滑动约束使用接触单元，即CONTA、TARGE单元模拟。
3.根据权利要求1步骤一所述的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其特征在于：使用SACS软件，建立上部组块的三维框架模型，包括组块结构梁、立柱斜撑、甲板板、机械、配管各专业荷载对于组块结构梁、立柱和斜撑使用BEAM单元模拟，
对于甲板板使用PLATE单元模拟，并考虑这些杆件的偏置影响；
对于机械、配管各专业荷载通过WEIGHT或LOAD进行施加。
4.根据权利要求1步骤二所述的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其特征在于：通过在浮托支撑结构与组块连接杆件界面处施加单位荷载，求解该单位荷载下的变形，计算得到界面连接点处的刚度，其计算方法具体包括以下步骤：
计算时每次只选定某一界面点处，其它界面点处简支约束，逐次施加六自由度中某一自由度的单位力或单位弯矩，计算该界面点处该自由度的变形，然后再选定另外一界面点，其它界面点处简支约束，逐次施加六自由度中某一自由度的单位荷载计算变形，依次变换，直至求得所有界面连接位置处的所有自由度的刚度。
5.根据权利要求1步骤三所述的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其特征在于：所述在SACS上部组块模型中，在浮托支撑结构与组块连接界面位置处的连接处施加弹簧约束作为边界条件，进行上部组块的整体强度计算和校核，其中作为边界约束条件的弹簧，其各自由度的刚度等效于步骤二中所求得的浮托支撑结构与组块连接杆件对应界面连接处的对应自由度的刚度值。
6.根据权利要求1步骤四所述的一种海上固定平台上部组块及其浮托支撑结构强度分析的方法，其特征在于：所述将步骤三中所求得的弹簧约束力，经过单位和坐标变换后，等效施加在ANSYS浮托支撑结构模型中与平台组块连接界面处，然后进行求解，进行浮托支撑结构的强度校核。
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